用于多用户无线能量传输系统的用户选择方法与流程

1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种用于多用户无线能量传输系统的用户选择方法。


背景技术：

2.目前，针对多用户的混合能量传输和无线通信的传输系统选择，其主要采用贪婪用户选择方法以及正交用户选择方法。其中，贪婪用户选择方法是一种直接以多用户的总传输速率为优化目标的用户选择方法。具体方法是：由调度器先选出可达速率最高的用户。接着，在每次迭代中，计算剩余的每个用户与已选出的协作用户组成的新用户集合的总传输速率，再选出总传输速率最大的用户集合，作为本次迭代的新用户集合。如果新增的任何用户集合都不能增加总传输速率或已达到可调度的最大用户数时，则该流程结束。由于贪婪用户选择方法在每次迭代中都要计算所有协作用户组合的总速率，因此，该方法的计算复杂度较高。
3.至于半正交用户选择方法，其利用信道质量和信道方向的二维信息来表征用户的传输速率，通过选择近似正交的用户，尽量降低多用户之间的干扰，从而间接优化多用户的总传输速率。由于半正交用户选择法是利用信道质量和信道方向的二维信息来表征传输速率，不需要在迭代过程中，对多用户的合成信道矩阵做逆运算来计算总传输速率。但是，在半正交算法中，需要设置一个表征用户正交性的门限。如果该门限参数设置得过小，将导致多用户分集增益的降低；而门限设置得过高，又容易引起太大的流间干扰。因此，必须通过多次仿真来最优化该门限参数。
4.上述两种用户选择方法都是以信道质量最佳的用户为基准进行用户选择的，其搜索范围非常有限，限制了多用户的分集增益。
5.因此，有必要研究一种新的既能有效提高多用户分集增益，又可保证较低的计算复杂度的用户选择方法。


技术实现要素：

6.本技术实施例的目的是提供一种用于多用户无线能量传输系统的用户选择方法，在总反馈带宽固定的情况下，可针对在不同的参数配置下自适应用户选择，以达到无线信息解码终端用户传输总速率的最大值。
7.为了实现上述目的，本技术提供一种用于多用户无线能量传输系统的用户选择方法，所述系统包括一个无线接入结点ap，所述无线接入点ap同时与一个能量采集终端eh和ki个无线信息解码终端id信息交互；其中，所述无线接入结点ap配置有n
t
根发射天线，所述能量采集终端eh与无线信息解码终端id均配置有单根接收天线；
8.所述方法包括：
9.以所述无线信息解码终端id的最大平均传输速率为目标函数，且满足所述能量采集终端eh采集到的最小所需能量qe的约束条件，构建关于所述无线信息解码终端id与所述
能量采集终端eh之间的数学模型；
10.分别将所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id的接收信道进行量化，并根据所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id量化后的接收信道信息重新预编码；
11.根据重新预编码后的所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id，优化构建的关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型；
12.根据优化的关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型，进行自适应选择最优无线信息解码终端id。
13.优选的，所述构建关于无线信息解码终端id与能量采集终端eh之间的数学模型为：
[0014][0015]
其中，hi和g分别为所述无线信息解码终端id和所述能量采集终端eh的接收信道，维度为1
×nt
，表示hi的转置共轭矩阵，gh表示g的转置共轭矩阵；vi为信道hi的传输速率，w为信道g的传输预编码；p
tot
为所述无线接入点ap的最大发射功率约束，pe和pi分别为分配给所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id的发射功率pe和pi，且满足pe pi＝p
tot
。
[0016]
优选的，分别将所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端的接收信道进行量化的方法为：
[0017]
所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id分别预存线下生成的码本
[0018]
其中，所述能量采集终端eh和所述无线信息解码终端id分别采用be和b
i,k
表示量化信道信息，对应码本各自包括和个码字矢量，基站可处理的最大反馈带宽约束为b
tot
,且满足
[0019]
将所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id分别通过信道估计获得实际信道信息，根据最小欧尔距离准则将接收信道量化，即：
[0020][0021]
其中，和分别表示归一化后的接收信道信息g和hi，和分别表示信道和量化后的接收信道信息；
[0022]
所述无线接入结点ap根据量化的接收信道信息和进行预编码和无线传输。
[0023]
优选的，根据所述能量采集终端eh量化后的接收信道信息将所述能量采集终端eh的接收信道g的传输预编码为：
[0024][0025]
其中，表示所述能量采集终端eh的预编码矩阵，为在信道上的投影，其中为ki个所述无线信息解码终端id用户的聚合信道，表示转置共轭矩阵；
[0026]
根据所述无线信息解码终端id量化后的接收信道信息采用迫零预编码，将对第k个所述无线信息解码终端id用户的预编码矩阵处于补偿矩阵的零空间中；
[0027]
分别得到关于的相关分布为：
[0028][0029][0030]
其中，表示码本大小为时，量化信道时的信道平均量化误差，le为信道g的平均增益，为维度n的卡方分布。
[0031]
优选的，所述优化构建的关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型的方法为：
[0032]
所述能量采集终端eh达到最小所需能量qe时,所需的最小反馈带宽为：
[0033][0034]
当所述无线信息解码终端id的用户数ki为1时，所述无线信息解码终端id的平均传输速率表示为：
[0035][0036]
其中，κ1＝pili(1-δ)、τ1＝peleδ；
[0037]
当所述无线信息解码终端id的用户数ki≥2时，第k个所述无线信息解码终端id的平均传输速率表示为：
[0038]
[0039]
其中，
[0040]
β2＝peleδ；
[0041]
则构造关于所述无线信息解码终端id的最大平均传输速率的最优目标函数为：
[0042][0043]
且约束条件为：
[0044]ki
满足
[0045]
优选的，所述根据优化的关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型，进行自适应选择最优无线信息解码终端id的方法为：
[0046]
将ki值从1到n
t-1的值按照从小到大顺序带入所述最优目标函数公式(8)中，得到对应的f(ki)的值；
[0047]
剔除不满足所述约束条件公式(9)的ki值后，从剩余满足所述约束条件公式(9)的ki值中确定使f(ki)值最大的ki值作为选择的最优无线信息解码终端id。
[0048]
在本技术实施例中，针对混合能量传输和无线通信的传输系统，提供了一种用于多用户无线能量传输系统的用户选择方法，通过以所述无线信息解码终端id的最大平均传输速率为目标函数，且满足所述能量采集终端eh采集到的最小所需能量qe的约束条件，构建关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型；然后分别将所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id的接收信道进行量化与预编码；然后，根据重新预编码后的所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id，优化构建的关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型，并基于优化的关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型，进行自适应选择最优无线信息解码终端id。
[0049]
该方法提出的低复杂度的预编码算法，实现了在保证能量采集终端的采集能量的大于门限值qe的前提下，最大化信息解码终端的传输总速率，提高了信道量化精度。同时，推导出了在所述能量采集终端eh用户数为1，所述无线信息解码终端id用户数为ki时最大平均传输速率的最优目标函数；采用该最优目标函数，在总反馈带宽固定的情况下，可针对在不同的参数配置下自适应用户选择，以达到无线信息解码终端id用户传输总速率的最大值。
附图说明
[0050]
图1是本技术提供的用于多用户无线能量传输系统的用户选择方法的流程示意图；
[0051]
图2是仿真结果图。
具体实施方式
[0052]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0053]
需要说明的，本说明书中针对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用，指的是描述的该实施例可包括特定的特征、结构或特性，但是不是每个实施例必须包含这些特定特征、结构或特性。此外，这样的表述并非指的是同一个实施例。进一步，在结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，不管有没有明确的描述，已经表明将这样的特征、结构或特性结合到其它实施例中是在本领域技术人员的知识范围内的。
[0054]
此外，在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件或部件，所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可以用不同的名词或术语来称呼同一个组件或部件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区分组件或部件的方式，而是以组件或部件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求书中所提及的“包括”和“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“连接”一词在此系包含任何直接及间接的电性连接手段。间接的电性连接手段包括通过其它装置进行连接
[0055]
参考图1，图1示出了一种用于多用户无线能量传输系统的用户选择方法的流程图。假设所述多用户无线能量传输系统包括一个无线接入结点ap，所述无线接入点ap同时与一个能量采集终端eh和ki个无线信息解码终端id信息交互；其中，所述无线接入结点ap配置有n
t
根发射天线，所述能量采集终端eh与无线信息解码终端id均配置有单根接收天线。对该系统设计的自适应用户选择方法，具体包括如下步骤：
[0056]
s1：以所述无线信息解码终端id的最大平均传输速率为目标函数，且满足所述能量采集终端eh采集到的最小所需能量qe的约束条件，构建关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型；
[0057][0058]
其中，hi和g分别为所述无线信息解码终端id和所述能量采集终端eh的接收信道，维度为1
×nt
，表示hi的转置共轭矩阵，gh表示g的转置共轭矩阵；vi为信道hi的传输速率，w为信道g的传输预编码；p
tot
为所述无线接入点ap的最大发射功率约束，pe和pi分别为分配给所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id的发射功率pe和pi，且满足pe pi＝p
tot
。
[0059]
s2：分别将所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id的接收信道进行量化，并根据所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id量化后的接收信道信息重新预编码。具体为：
[0060]
在具体实现中，在实际通信系统中，尤其是频分双工(fdd)系统中，所述无线接入
结点ap很难获取理想的信道信息，因此在实际无线通信系统中，码本反馈的方式是一种常见的信道信息的传输方式，即采用有限数量的反馈比特来上报信道信息。令基站可处理的最大反馈带宽约束为b
tot
,其中，所述能量采集终端eh用户和所述无线信息解码终端id用户分别采用be和b
i,k
来量化信道信息，满足
[0061]
所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id分别预存线下生成的码本和对应码本各自包括和个码字矢量。
[0062]
将所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id分别通过信道估计获得实际信道信息，根据最小欧尔距离准则将接收信道量化，即：
[0063][0064]
其中，和分别表示归一化后的接收信道信息g和hi，和分别表示信道和量化后的接收信道信息。
[0065]
所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id分别通过和个二进制比特序列告知所述无线接入结点ap量化后的信道信息，所述无线接入结点ap根据量化的接收信道信息和进行预编码和无线传输。
[0066]
然后，为抑制所述无线信息解码终端id用户之间的干扰，并且满足所述能量采集终端eh用户采集能量要求，根据所述能量采集终端eh量化后的接收信道信息将所述能量采集终端eh的接收信道g的预编码为：
[0067][0068]
其中，表示所述能量采集终端eh的传输速率w的预编码矩阵，为在信道上的投影，其中为ki个所述无线信息解码终端id用户的聚合信道，表示转置共轭矩阵。
[0069]
上式表示的预编码矩阵处于ki个所述无线信息解码终端id用户信道的零空间中，既删除了所述能量采集终端eh波束对所述无线信息解码终端id用户的干扰，且在剩余维度空间中最大化接收能量的功率。
[0070]
根据所述无线信息解码终端id量化后的接收信道信息采用迫零预编码，将对第k个所述无线信息解码终端id用户的预编码矩阵处于补偿矩阵的零空间中；
[0071]
利用随即矢量量化相关性质，分别得到关于的相关分布为：
[0072][0073][0074]
其中，表示码本大小为时，量化信道时的信道平均量化误差，le为信道g的平均增益，为维度n的卡方分布。
[0075]
因此，本技术针对混合能量传输和无线通信的传输系统，提出了上述低复杂度的预编码算法，实现了在保证能量采集终端的采集能量的大于门限值qe的前提下，最大化信息解码终端的传输总速率。
[0076]
s3：根据重新预编码后的所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id，优化构建的关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型。具体为：
[0077]
在一些实施例中，利用信道相关的性质，所述能量采集终端eh达到最小所需能量qe时,所需的最小反馈带宽为：
[0078][0079]
当所述无线信息解码终端id的用户数ki为1时，所述无线信息解码终端id的平均传输速率表示为：
[0080][0081]
其中，κ1＝pili(1-δ)、τ1＝peleδ。
[0082]
此时，对应所需所述能量采集终端eh用户最小反馈比特数为：
[0083][0084]
当所述无线信息解码终端id的用户数ki≥2时，第k个所述无线信息解码终端id的平均传输速率(各态历经容量)表示为：
[0085][0086]
其中，
[0087]
β2＝peleδ；
[0088]
在总反馈带宽受限的情况下，则构造关于所述无线信息解码终端id的最大平均传输速率的最优目标函数为：
[0089][0090]
且约束条件为：
[0091]ki
满足
[0092]
因此，本技术推导出了在所述能量采集终端eh用户数为1，所述无线信息解码终端id用户数为ki时最大平均传输速率的最优目标函数，并得到对应达到所需采集能量qe的最小反馈比特数。采用该最优目标函数，可针对在不同的参数配置下自适应用户选择，以达到无线信息解码终端id用户传输总速率的最大值。
[0093]
s4：根据优化的关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型，进行自适应选择最优无线信息解码终端id。
[0094]
在一些实施例中，将ki值从1到n
t-1的值按照从小到大顺序带入所述最优目标函数公式(9)中，得到对应的f(ki)的值；
[0095]
然后，剔除不满足所述约束条件公式(10)的ki值后，从剩余满足所述约束条件的ki值中确定使f(ki)值最大的ki值作为选择的最优无线信息解码终端id。
[0096]
图2为采用上述的用于多用户无线能量传输系统的用户选择方法进行仿真的结果图，图中显示为无线信息解码终端id传输总速率随总反馈比特b
tot
的变化情况。由图2中可看出，在无线信息解码终端id用户数固定的情况下，总传输速率随b
tot
的增加而增加，表示信道量化精度增加提升了系统性能。此外，在总反馈带宽固定的情况下，本技术的自适应用户选择机制始终可以达到总传输速率的最大值。
[0097]
需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本技术实施例所必须的。
[0098]
综上所述，本技术针对混合能量传输和无线通信的传输系统，提供了一种用于多用户无线能量传输系统的用户选择方法，通过以所述无线信息解码终端id的最大平均传输速率为目标函数，且满足所述能量采集终端eh采集到的最小所需能量qe的约束条件，构建关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型；然后分别将所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id的接收信道进行量化与预编码；然后，根据重新预编码后的所述能量采集终端eh以及所述无线信息解码终端id，优化构建的关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型，并基于优化的关于所述无线信息解码终端id与所述能量采集终端eh之间的数学模型，进行自适应选择最优无线信息解码终端id。该方法提出的低复杂度的预编码算法，实现了在保证能量采集终端的采集能量的大于门限值qe的前提下，最大化信息解码终端的传输总速率，提高了信道量化精度。同时，推导出了在所述能量采集终端eh用户数为1，所述无线信息解码终端id用户数为ki时最大
平均传输速率的最优目标函数；采用该最优目标函数，在总反馈带宽固定的情况下，可针对在不同的参数配置下自适应用户选择，以达到无线信息解码终端id用户传输总速率的最大值。
[0099]
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。