本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種mimo無線能量通信網(wǎng)絡(luò)最大化吞吐量方法。
背景技術(shù):
無線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)受限于傳統(tǒng)的能量供應(yīng),如電網(wǎng)供電以及電池供電,不可避免鋪設(shè)電力線、更換電池等問題。因此大規(guī)模、高密度的無線通信網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)面臨諸多問題。無線充電技術(shù)的出現(xiàn),使得對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線供電成為可能,可以提高網(wǎng)絡(luò)布設(shè)的靈活性、延長網(wǎng)絡(luò)的工作周期、增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性等。
目前的無線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式、磁場(chǎng)共振式以及射頻充電式。其中射頻充電式由于其部署更靈活,以及可以與無線通信相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。然而射頻充電也存在著能量傳輸效率低和安全性等問題。無線充電與無線通信相結(jié)合,催生了一種新場(chǎng)景:無線能量通信網(wǎng)絡(luò)。在該系統(tǒng)中,無線充電站在下行鏈路利用無線射頻給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)激活后利用接收的能量在上行鏈路將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給接收機(jī)。目前針對(duì)無線能量通信網(wǎng)絡(luò)的研究,大都是基于理想的高斯信源來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的,其忽略了實(shí)際通信系統(tǒng)中所采用的有限字符集調(diào)制方式(如振幅調(diào)制、調(diào)頻調(diào)制、調(diào)相調(diào)制等),或者所采用信噪比溝道作為折衷的方法并不能很好地彌補(bǔ)其設(shè)計(jì)缺陷。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足,本發(fā)明提供一種mimo無線能量通信網(wǎng)絡(luò)最大化吞吐量方法。本發(fā)明能夠在基于工程實(shí)際中有限字符集調(diào)制信號(hào)的情況下,達(dá)到系統(tǒng)近似最大化吞吐量。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種mimo無線能量通信網(wǎng)絡(luò)最大化吞吐量方法,包括如下步驟:
s1用戶ui獲取信道矩陣hi,并采用奇異值分解(svd,singularvaluedecomposition)技術(shù)在用戶ui發(fā)射端對(duì)信道矩陣hi以及預(yù)編碼矩陣gi進(jìn)行分解,hi分解得到n個(gè)并行子信道,所述hi分解成
同理,所述gi分解成
s2把gi的左酉矩陣ug,i設(shè)置成vh,i可以忽略酉矩陣的影響,而繼續(xù)保持并行子信道的分解,便于功率分配。接著采用調(diào)制分集星座圖旋轉(zhuǎn)方法,構(gòu)造一個(gè)調(diào)制分集酉矩陣vm,將gi的右酉矩陣
其中,nt是用戶ui的發(fā)射天線數(shù),nr是信息-能量混合收發(fā)機(jī)的天線數(shù)qm則依不同的調(diào)制方式而定,j表示虛數(shù)單位,即j×j=-1。
s3開始時(shí)隙分配與功率分配兩步迭代算法,設(shè)置迭代次數(shù)n=0。
s4第n次迭代a步:優(yōu)化時(shí)隙分配向量。
利用第n-1次迭代得到的k個(gè)功率分配矩陣集合
s5第n次迭代b步:優(yōu)化k個(gè)功率分配矩陣。
由s2選取左右酉矩陣并初始化功率分配矩陣集合,得到k個(gè)初始化預(yù)編碼矩陣的集合{gi}?;趝gi}以及s4中得到的優(yōu)化時(shí)隙分配向量τ(n),采用梯度下降法結(jié)合內(nèi)點(diǎn)法,以吞吐量最大化為目標(biāo)進(jìn)行迭代計(jì)算直至收斂,得到第n次迭代的功率分配矩陣集合:
s6判斷是否滿足吞吐量收斂條件,若不滿足,令n=n+1并重復(fù)s4到s5的迭代過程;若滿足收斂條件,則得到最優(yōu)時(shí)隙分配向量τ*以及k個(gè)用戶的最優(yōu)功率分配矩陣的集合
s7將s6中得到的最優(yōu)時(shí)隙分配向量τ*作為下行能量傳輸與上行信息傳輸?shù)臅r(shí)隙分配方案;將s6中得到的用戶ui的最優(yōu)功率分配矩陣
所述s1中奇異值分解式
所述s2中qm其選取原則為使發(fā)射信號(hào)向量構(gòu)成的復(fù)合星座圖的星座點(diǎn)之間的歐氏距離盡量大。
所述s4中優(yōu)化時(shí)隙分配向量τ的具體實(shí)現(xiàn)依照下述公式:
其中θi表示用戶ui的下行信道狀況,
本發(fā)明基于凸優(yōu)化的聯(lián)合時(shí)隙分配與功率分配方法,并與調(diào)制分集星座圖旋轉(zhuǎn)方法相結(jié)合。首先采用奇異值分解技術(shù),將多輸入多輸出(mimo,multiple-inputmultiple-output)信道分解成等效并行子信道,利用調(diào)制分集對(duì)星座圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)避免星座點(diǎn)重疊;然后進(jìn)行時(shí)隙分配與功率分配的兩步迭代計(jì)算,直到吞吐量收斂。從而設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際應(yīng)用需求的時(shí)隙分配與預(yù)編碼方法。
本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明在無線能量通信網(wǎng)絡(luò)中,引入多天線技術(shù)提高系統(tǒng)吞吐量;使用調(diào)制分集星座圖旋轉(zhuǎn)方法提高系統(tǒng)性能;基于有限字符集信源聯(lián)合時(shí)隙分配與功率分配,對(duì)比傳統(tǒng)的基于高斯信源的設(shè)計(jì)方案有較大的性能改善,從而滿足工程實(shí)際應(yīng)用需求。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的工作流程圖;
圖2是多用戶多天線無線能量通信網(wǎng)絡(luò)模型;
圖3是多用戶無線能量通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙分配圖;
圖4是本實(shí)施例中2×2mimo-bpsk調(diào)制采用不同方案的功率-總吞吐量曲線;
圖5是本實(shí)施例中2×2mimo-qpsk調(diào)制采用不同方案的功率-總吞吐量曲線;
圖6是本實(shí)施例中2×2mimo-bpsk調(diào)制采用不同方案的用戶數(shù)-歸一化吞吐量曲線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖,對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明,但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例
如圖1所示,一種mimo無線能量通信網(wǎng)絡(luò)最大化吞吐量方法,核心是通過兩步迭代方法分別得到最優(yōu)時(shí)隙分配向量τ*和各用戶ui的功率分配矩陣
圖2是一個(gè)裝備nr根天線的信息/能量混合收發(fā)站和k個(gè)用戶,每個(gè)用戶ui裝備nt根接收天線的無線能量通信網(wǎng)絡(luò)模型?;旌鲜瞻l(fā)站在下行鏈路處于能量傳輸模式,在上行鏈路處于信息接收模式。
考慮用戶ui的上行信息傳輸多天線基帶等效模型為:yi=higixi+ni。
其中xi是nt×1的發(fā)射復(fù)向量,yi是nr×1的接收復(fù)向量,hi是nr×nt的復(fù)信道矩陣,gi是nt×nt的預(yù)編碼矩陣。對(duì)用戶ui獲取的信道矩陣進(jìn)行奇異值分解可得到:
本發(fā)明的預(yù)編碼方法中,預(yù)編碼矩陣gi的左酉矩陣ug,i取vh,i,對(duì)角功率分配矩陣
圖3是多用戶無線能量通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙分配圖,在一個(gè)時(shí)間傳輸塊t內(nèi),首先分配時(shí)隙τ0t,用于下行鏈路混合收發(fā)站向k個(gè)用戶通過射頻傳輸無線能量。接下來,各個(gè)用戶ui在充電激活后,按分時(shí)多址(tdma,timedivisionmultipleaddress)的接入方式,會(huì)被依次分配給時(shí)隙τit用于在上行鏈路將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給混合收發(fā)站。
本實(shí)例首先建立一個(gè)兩用戶的無線能量通信網(wǎng)絡(luò),信息/能量混合收發(fā)站裝備兩根天線,每個(gè)用戶裝備兩根天線,并采用二元相移鍵控(bpsk)調(diào)制,兩個(gè)用戶u1和u2選取的信道矩陣分別是
第二步,確定調(diào)制分集矩陣vm。由于采用bpsk調(diào)制,qm=1;若是采用正交相移鍵控(qpsk)調(diào)制,qm=1/2。于是本實(shí)例的調(diào)制分集矩陣為:
第三步是核心的通過兩步迭代方法分別得到最優(yōu)時(shí)隙分配向量τ*和用戶u1的功率分配矩陣
在第n次迭代中,a步:采用奇異值分解對(duì)信道矩陣h1和h2進(jìn)行分解,分別各得到兩個(gè)等效并行子信道,分解結(jié)果為
b步:由上一步得到的時(shí)隙分配τ(n),基于梯度下降法結(jié)合內(nèi)點(diǎn)法,得到第n次迭代的最優(yōu)功率分配矩陣
判斷是否達(dá)到收斂條件(如達(dá)到預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)或者總吞吐量的提升小于某個(gè)閾值時(shí)),若達(dá)到,則停止迭代,輸出最優(yōu)時(shí)隙分配向量τ*和功率分配矩陣
第四步,由第三步中得到的兩個(gè)最優(yōu)功率分配矩陣,分別得到兩個(gè)預(yù)編碼矩陣
本實(shí)例的仿真結(jié)果使用仿真軟件matlab獲得。吞吐量的計(jì)算采用互信息下界近似公式,從而大大降低計(jì)算復(fù)雜度。
采用bpsk調(diào)制的仿真結(jié)果如圖4所示,可以看到,圖中分別列出了五種方案的功率-總吞吐量曲線。功率是指兩個(gè)用戶相同的發(fā)射功率。這五種方案分別是方案a本發(fā)明的一種mimo無線能量通信網(wǎng)絡(luò)最大化吞吐量方法(兩步迭代)、方案b聯(lián)合時(shí)隙分配與基于調(diào)制分集、注水算法的預(yù)編碼(時(shí)隙分配-注水-調(diào)制分集),方案c時(shí)隙分配與無預(yù)編碼(時(shí)隙分配-無預(yù)編碼),方案d等時(shí)隙分配與基于調(diào)制分集、注水的預(yù)編碼(等時(shí)隙-注水-調(diào)制分集),方案e聯(lián)合時(shí)隙分配與注水預(yù)編碼(時(shí)隙分配-注水)。由圖可知,本發(fā)明提出的方案a性能最好,是圖中五種方案中最優(yōu)的;方案b是次優(yōu)的;而方案d在功率大于35dbm時(shí)和方案e在大于55dbm時(shí),其總吞吐量就基本上不隨著功率的增大而提升了,遠(yuǎn)不能達(dá)到飽和點(diǎn)。
采用qpsk調(diào)制的仿真結(jié)果如圖5所示。和圖4相似,本發(fā)明提出的方案a依舊是圖中最優(yōu)的。
圖6所示的是bpsk調(diào)制下,采用不同方案的用戶數(shù)-歸一化吞吐量曲線。各個(gè)信道矩陣用matlab隨機(jī)生成多次,并做多次仿真取歸一化吞吐量的平均值此圖的仿真場(chǎng)景和圖4以及圖5有所差別,依舊是兩收兩發(fā)的多天線,但此時(shí)所有用戶的發(fā)射功率固定為50dbm,用戶數(shù)不再是固定兩個(gè)。歸一化吞吐量是指總吞吐量除以用戶數(shù)。從圖中可以看出,在高功率下(50dbm),本發(fā)明提出的方案a依舊是最優(yōu)的,不過方案b與其已經(jīng)比較接近了;隨著用戶數(shù)的增加,方案a相對(duì)于其它方案的性能增益逐漸縮小,在用戶數(shù)k為10時(shí),前四種方案(a,b,c,d)變得很接近了,只有方案e效果比較差。
結(jié)合本文中所公開的實(shí)施例描述的方法或步驟可以用硬件如dsp和fpga、處理器執(zhí)行的軟件程序,或者二者的結(jié)合來實(shí)施。軟件程序可以置于隨機(jī)存儲(chǔ)器(ram)、內(nèi)存、只讀存儲(chǔ)器(rom)、電可編程rom、寄存器、硬盤、可移動(dòng)磁盤、cd-rom或技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲(chǔ)介質(zhì)中。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式,但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制,其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化,均應(yīng)為等效的置換方式,都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。