一種基于混合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于混合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的方法，包括如下步驟：混合式基站獲取信道狀態(tài)信息；混合式基站在獲取信道狀態(tài)信息后基于系統(tǒng)吞吐量最大化計算最佳波束賦形器和時間分配參數(shù)；混合式基站基于最佳波束賦形器內(nèi)向用戶節(jié)點和中繼節(jié)點傳輸能量；能量傳輸階段結束后，用戶節(jié)點利用收集到的能量向中繼節(jié)點和混合式基站發(fā)送信息；中繼節(jié)點在收到用戶節(jié)點的信息后，利用收集到的能量，采用放大轉發(fā)協(xié)議協(xié)助轉發(fā)用戶節(jié)點的信息；混合式基站在收到用戶節(jié)點和中繼節(jié)點的信息后，通過處理檢測用戶節(jié)點的信息。該方法通過實時的調(diào)整時間分配參數(shù)和波束賦形器，使得系統(tǒng)吞吐量漸近達到理論最大系統(tǒng)吞吐量，大幅提高了系統(tǒng)的能效。
【專利說明】
一種基于混合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及通信領域，具體涉及一種基于混合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的方 法。
【背景技術】
[0002] 隨著智能手機、平板電腦、手提電腦、智能手環(huán)等無線智能終端的大規(guī)模普及，如 何解決智能設備續(xù)航時間瓶頸約束已成為了一個亟待解決的關鍵問題。近年來，隨著無線 能量傳輸技術的不斷成熟，利用射頻無線能量捕獲技術(RF-EH)為通信設備供能已經(jīng)成為 可能。
[0003] 將無線能量傳輸和無線信息傳輸有機結合起來，構建一個高效的能量和信息傳輸 一體化網(wǎng)絡引起了廣泛地關注。學術界提出了一種混合基站模型，在該模型中，基站首先作 為能量源為小區(qū)中的通信節(jié)點提供能量，當通信節(jié)點收集到足夠的能量后，再向基站發(fā)送 信息。然而，由于無線能量傳輸面臨的路徑損耗，無線能量傳輸?shù)男食蔀閷嶋H系統(tǒng)設計的 一個瓶頸。鑒于此，研究人員提出了利用多天線技術和中繼技術提升無線能量傳輸效率的 基本思路。
[0004] 目前，相關研究工作尚處于起步階段，而且現(xiàn)有技術中也沒有基于混合式基站最 大化通信系統(tǒng)吞吐量的技術。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于混合式基站最大化通信系 統(tǒng)吞吐量的方法。
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明所提供的技術方案為：
[0007] -種基于混合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的方法，所述的通信系統(tǒng)包括用戶節(jié) 點，中繼節(jié)點和設有波束賦形器的混合式基站;所述的混合式基站配置多根天線，用戶節(jié)點 和中繼節(jié)點配置單根天線;具體包括如下步驟：
[0008] 1)混合式基站獲取信道狀態(tài)信息；
[0009] 2)混合式基站在獲取信道狀態(tài)信息后基于系統(tǒng)吞吐量最大化計算最佳波束賦形 器w和時間分配參數(shù)τ;
[00?0] 3)混合式基站基于最佳波束賦形器w在前ττ時間內(nèi)向用戶節(jié)點和中繼節(jié)點傳輸能 量，其中T為信道相干時間，0 < τ < 1;
[0011] 4)能量傳輸階段結束后，在后（Ι-τ)Τ時間內(nèi)，用戶節(jié)點利用收集到的能量向中繼 節(jié)點和混合式基站發(fā)送信息；中繼節(jié)點在收到用戶節(jié)點的信息后，利用收集到的能量，采用 放大轉發(fā)協(xié)議協(xié)助轉發(fā)用戶節(jié)點的信息；
[0012] 5)混合式基站在收到用戶節(jié)點和中繼節(jié)點的信息后，通過處理檢測用戶節(jié)點的信 息。
[0013] 所述的步驟1)中的信道狀態(tài)信息包括：
[0014] la)混合式基站通過偵聽用戶節(jié)點和中繼節(jié)點的導頻，估計出混合式基站與相應 的用戶節(jié)點和中繼節(jié)點之間的信道狀態(tài)信息；
[0015] Ib)混合式基站通過中繼節(jié)點反饋獲得用戶節(jié)點與中繼節(jié)點之間的信道狀態(tài)信 息。
[0016] 所述的步驟2)中基于系統(tǒng)吞吐量最大化計算最佳波束賦形器w和時間分配參數(shù)τ 是指：
[0017] 建立波束賦形器w和時間分配參數(shù)τ的聯(lián)合優(yōu)化問題，其目標函數(shù)與約束條件分別 為：
[0020] 其中，η表示能量利用效率;Ps表示混合式基站的發(fā)射功率;No表示噪聲功率;W表示 波束賦形器;h^hs、和h 3分別表示用戶節(jié)點與混合式基站、中繼節(jié)點與混合式基站以及用戶 節(jié)點與中繼節(jié)點之間的信道狀態(tài)信息;dhdhCb分別表示用戶節(jié)點與混合式基站、中繼節(jié)點 與混合式基站以及用戶節(jié)點與中繼節(jié)點之間的距離;α表示路徑衰落指數(shù)；I I表示對向量取 模；1111表示對向量取2-范數(shù)。
[0021] 所述的建立波束賦形器w和時間分配參數(shù)T的聯(lián)合優(yōu)化問題近似的分解為兩個單 變量的優(yōu)化問題，包括:對波束賦形器w單獨進行優(yōu)化問題和對時間分配參數(shù)τ單獨進行優(yōu) 化問題。
[0022] 所述的對波束賦形器w單獨進行優(yōu)化問題可近似為：
[0024] s.t I |w| I2^l,
[0025] 其_
分別表不向量hfw和:h!W的模，|h31表不復數(shù)h3的模，I |hi I I和 I Ih21 I分別表示向量hi和h2的2-范數(shù)，T表示轉置；
[0026]所得的最佳波束賦形器w為：
[0027]
[0028] 其中，.n^h2.表示向量h丨在向量.h丨上的投景多，HlvIi 2表示向量h2在向量hi上的投影， nh|t表示向量14在向量吣的垂直空間上的投影，nh h2表示向量^在向量hl的垂直空間上 的投影，*表示共輒；
[0029]當 Aa2+D(b2-c2)=0 時：
[0038] 所述的對時間分配參數(shù)τ單獨進行優(yōu)化問題為:在對波束賦形器w完成優(yōu)化的基礎 上，再基于系統(tǒng)吞吐量達到最大對時間分配參數(shù)τ進行單獨優(yōu)化，所得的近似最佳時間分配 參數(shù)τ為·
[0039]
[0040] 函數(shù)。
[0041] 所述的步驟5)中通過處理檢測用戶節(jié)點的信息是指:混合式基站通過最大比合并 的方法接收直接來自用戶節(jié)點的信息以及用戶節(jié)點通過中繼節(jié)點轉發(fā)的信息。
[0042] 同現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
[0043] (1)本發(fā)明考慮了混合式基站的通信模型，在原有的經(jīng)典基站中引入了WPCN技術， 該模型可以廣泛適用于移動電話行動通信標準、物聯(lián)網(wǎng)等應用場景中，為無線設備終端持 續(xù)供能。
[0044] (2)本發(fā)明根據(jù)實時的信道狀態(tài)信息，通過巧妙的優(yōu)化算法，得到了簡潔的時間分 配參數(shù)τ、波束賦形器w這兩個重要參數(shù)的閉式解形式，相比通過遍歷搜索得到這兩個參數(shù) 的方式大大縮短了處理時間。更短的處理時間也使參數(shù)調(diào)整頻率能夠有效提升，通過實時 的調(diào)整時間分配參數(shù)和波束賦形器，使得系統(tǒng)吞吐量漸近達到理論最大系統(tǒng)吞吐量，大幅 提高了系統(tǒng)的能效，符合綠色通信的理念。
【附圖說明】
[0045]圖1是本發(fā)明應用場景不意圖；
[0046] 圖2是基于混合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的流程圖；
[0047] 圖3是本發(fā)明在給定不同混合式基站天線數(shù)目的情況下，采用本發(fā)明最佳波束賦 形器和最佳時間分配參數(shù)方案的系統(tǒng)吞吐量隨信噪比變化并與采用一般方案情況下系統(tǒng) 吞吐量對比的曲線。
【具體實施方式】
[0048] 下面將結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0049] 如圖1所示，所述的通信系統(tǒng)包括用戶節(jié)點，中繼節(jié)點和設有波束賦形器的混合式 基站;所述的混合式基站配置多根天線，用戶節(jié)點和中繼節(jié)點配置單根天線。
[0050] 如圖2所示，基于混合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的方法具體包括如下步驟：
[0051] 1)混合式基站獲取信道狀態(tài)信息；
[0052] 2)混合式基站在獲取信道狀態(tài)信息后基于系統(tǒng)吞吐量最大化計算最佳波束賦形 器w和時間分配參數(shù)τ;
[0053] 3)混合式基站基于最佳波束賦形器w在前ττ時間內(nèi)向用戶節(jié)點和中繼節(jié)點傳輸能 量，其中T為信道相干時間，0 < τ < 1;
[0054] 4)能量傳輸階段結束后，在后（Ι-τ)Τ時間內(nèi)，用戶節(jié)點利用收集到的能量向中繼 節(jié)點和混合式基站發(fā)送信息；中繼節(jié)點在收到用戶節(jié)點的信息后，利用收集到的能量，采用 放大轉發(fā)協(xié)議協(xié)助轉發(fā)用戶節(jié)點的信息；
[0055] 5)混合式基站在收到用戶節(jié)點和中繼節(jié)點的信息后，通過處理檢測用戶節(jié)點的信 息。
[0056] 所述的步驟1)中的信道狀態(tài)信息包括：
[0057] la)混合式基站通過偵聽用戶節(jié)點和中繼節(jié)點的導頻，估計出混合式基站與相應 的用戶節(jié)點和中繼節(jié)點之間的信道狀態(tài)信息；
[0058] Ib)混合式基站通過中繼節(jié)點反饋獲得用戶節(jié)點與中繼節(jié)點之間的信道狀態(tài)信 息。
[0059] 所述的步驟2)中基于系統(tǒng)吞吐量最大化計算最佳波束賦形器w和時間分配參數(shù)τ 是指：
[0060] 建立波束賦形器w和時間分配參數(shù)τ的聯(lián)合優(yōu)化問題，其目標函數(shù)與約束條件分別 為：
[0062] s · t 0<τ<1，I I w I 11;
[0063] 其中，η表示能量利用效率;Ps表示混合式基站的發(fā)射功率;No表示噪聲功率;w表示 波束賦形器;1η、?! 2、和h3分別表示用戶節(jié)點與混合式基站、中繼節(jié)點與混合式基站以及用戶 節(jié)點與中繼節(jié)點之間的信道狀態(tài)信息;C^dhd 3分別表示用戶節(jié)點與混合式基站、中繼節(jié)點 與混合式基站以及用戶節(jié)點與中繼節(jié)點之間的距離;α表示路徑衰落指數(shù)；I I表示對向量取 模；1111表示對向量取2-范數(shù)。
[0064] 所述的建立波束賦形器w和時間分配參數(shù)τ的聯(lián)合優(yōu)化問題近似的分解為兩個單 變量的優(yōu)化問題，包括:對波束賦形器w單獨進行優(yōu)化問題和對時間分配參數(shù)τ單獨進行優(yōu) 化問題。
[0065] 所述的對波束賦形器w單獨進行優(yōu)化問題可近似為：
[0066]
[0067] s.t I |w| |2<1，
[0068] 其中
子別表不向量Iifw和h:【w的模，I h31表不復數(shù)h3的模，I I hi I I和 I I h21 I分別表示向量hi和h2的2-范數(shù)，T表示轉置；
[0069]所得的最佳波束賦形器w為：
[0070]
[0071] 其中，^表示向量在向量.hj上的投影，nh h:表示向量J12在向量I11上的投影， 1???示向量h【在向量K的垂直空間上的投影，?表示向量^在向量hl的垂直空間上 的投影，*表示共輒；
[0072]
[0073]
[0074]
[0081 ]所述的對時間分配參數(shù)τ單獨進行優(yōu)化問題為:在對波束賦形器w完成優(yōu)化的基礎 上，再基于系統(tǒng)吞吐量達到最大對時間分配參數(shù)τ進行單獨優(yōu)化，所得的近似最佳時間分配 參數(shù)τ為·
[0082]
[0083]
函數(shù)。
[0084] 所述的步驟5)中通過處理檢測用戶節(jié)點的信息是指:混合式基站通過最大比合并 的方法接收直接來自用戶節(jié)點的信息以及用戶節(jié)點通過中繼節(jié)點轉發(fā)的信息。
[0085] 具體的實施例，技術場景如下：系統(tǒng)中包含一個用戶節(jié)點，一個放大轉發(fā)協(xié)議的中 繼節(jié)點和一個采用波束賦形器并且能夠同時傳輸能量和收發(fā)信息的混合式基站，除了混合 式基站配置多根天線，其余節(jié)點均只配置單根天線;在運行過程中，系統(tǒng)按照信道狀態(tài)信息 的變化實時調(diào)整波束賦形器w和時間分配參數(shù)τ，假設信道相干時間為T，在前τΤ時間內(nèi)，混 合式基站對用戶節(jié)點和中繼節(jié)點傳輸能量，在后（1-τ)Τ時間內(nèi)，用戶節(jié)點同時通過中繼節(jié) 點傳輸和直接傳輸?shù)姆绞浇o混合式基站傳輸信息。在本實施例中，用戶節(jié)點和中繼節(jié)點將 電磁波轉換為存貯的電能的能量利用效率為80%，路徑損耗指數(shù)為3,混合式基站與用戶節(jié) 點和中繼節(jié)點之間的距離分別為5米，3米，用戶節(jié)點與中繼節(jié)點之間的距離為3米。
[0086] 為證明本發(fā)明中的最佳波束賦形器性能確實優(yōu)于普通設計，本實施例用了以下對 比：高信噪比大規(guī)模天線條件下的一般波束賦形器w設計方法，即
[0087]
[0088]
[0089] 別表示表示向量hi和h2的2-范數(shù)，T表示轉置，*表示共輒，η表示能量利用效率，Ps表示混合 式基站的發(fā)射功率，No表示噪聲功率，w表示波束賦形器，h^hs、和h3分別表示用戶節(jié)點與混 合式基站、中繼節(jié)點與混合式基站以及用戶節(jié)點與中繼節(jié)點之間的信道響應，di、d2、d3分別 表示用戶節(jié)點與混合式基站、中繼節(jié)點與混合式基站以及用戶節(jié)點與中繼節(jié)點之間的距 離，α表示路徑衰落指數(shù)。該波束賦形器的基本設計思路是源自天線數(shù)目趨于無窮情況下 h卜h〗的正交特性。
[0090] 圖3為本實施例中采用最佳波束賦形器和最佳時間分配參數(shù)與一般的波束賦形器 和固定分配比例下系統(tǒng)的吞吐量隨信噪比變化的關系圖。本實施例一共選取了天線數(shù)分別 為5，10,50的三種場景，如圖所示，采用兩種不同策略的系統(tǒng)吞吐量隨著天線數(shù)目的增加而 增加。通過對比發(fā)現(xiàn)采用最佳波束賦形器和最佳時間分配參數(shù)的系統(tǒng)的吞吐量對于采用一 般波束賦形器和固定時間分配參數(shù)的系統(tǒng)吞吐量有明顯的提升，并且當信噪比較高，天線 數(shù)目較多時，這種差距變得更加明顯。由此可以得出，采用本發(fā)明所提出的最佳波束賦形器 和最佳時間分配參數(shù)的方案在性能上要明顯優(yōu)于采用一般波束賦形器和固定時間分配參 數(shù)的方案。
[0091]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神 和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種基于混合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的方法，其特征在于，所述的通信系統(tǒng) 包括用戶節(jié)點，中繼節(jié)點和設有波束賦形器的混合式基站;所述的混合式基站配置多根天 線，用戶節(jié)點和中繼節(jié)點配置單根天線;具體包括如下步驟： 1) 混合式基站獲取信道狀態(tài)信息； 2) 混合式基站在獲取信道狀態(tài)信息后基于系統(tǒng)吞吐量最大化計算最佳波束賦形器W和 時間分配參數(shù)T ; 3) 混合式基站基于最佳波束賦形器W在前TT時間內(nèi)向用戶節(jié)點和中繼節(jié)點傳輸能量， 其中T為信道相干時間，O < T < 1; 4) 能量傳輸階段結束后，在后（I-T)T時間內(nèi)，用戶節(jié)點利用收集到的能量向中繼節(jié)點 和混合式基站發(fā)送信息；中繼節(jié)點在收到用戶節(jié)點的信息后，利用收集到的能量，采用放大 轉發(fā)協(xié)議協(xié)助轉發(fā)用戶節(jié)點的信息； 5) 混合式基站在收到用戶節(jié)點和中繼節(jié)點的信息后，通過處理檢測用戶節(jié)點的信息。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于混合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的方法，其特征在于， 所述的步驟1)中的信道狀態(tài)信息包括： la)混合式基站通過偵聽用戶節(jié)點和中繼節(jié)點的導頻，估計出混合式基站與相應的用 戶節(jié)點和中繼節(jié)點之間的信道狀態(tài)信息； 化)混合式基站通過中繼節(jié)點反饋獲得用戶節(jié)點與中繼節(jié)點之間的信道狀態(tài)信息。3. 根據(jù)權利要求2所述的基于混合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的方法，其特征在于， 所述的步驟2)中基于系統(tǒng)吞吐量最大化計算最佳波束賦形器W和時間分配參數(shù)T是指： 建立波束賦形器W和時間分配參數(shù)T的聯(lián)合優(yōu)化問題，其目標函數(shù)與約束條件分別為：號. S ? t 0<!< 1，I I W I I 2^ 1 ; 其中，n表示能量利用效率;Ps表示混合式基站的發(fā)射功率;No表示噪聲功率;W表示波束 賦形器血、h2、和h3分別表示用戶節(jié)點與混合式基站、中繼節(jié)點與混合式基站W(wǎng)及用戶節(jié)點 與中繼節(jié)點之間的信道狀態(tài)信息;dl、d2、d3分別表示用戶節(jié)點與混合式基站、中繼節(jié)點與混 合式基站W(wǎng)及用戶節(jié)點與中繼節(jié)點之間的距離;Cl表示路徑衰落指數(shù)；I I表示對向量取模； M表示對向量取2-范數(shù)。4. 根據(jù)權利要求3所述的基于混合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的方法，其特征在于， 所述的建立波束賦形器W和時間分配參數(shù)T的聯(lián)合優(yōu)化問題近似的分解為兩個單變量的優(yōu) 化問題，包括:對波束賦形器W單獨進行優(yōu)化問題和對時間分配參數(shù)T單獨進行優(yōu)化問題。5. 根據(jù)權利要求4所述的基于混合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的方法，其特征在于， 所述的對波束賦形器W單獨進行優(yōu)化問題可近似為：其中，|hfw|和|h72w|分別表示向量悼W和巧W的模，I h3陵示復數(shù)h3的模，I I hi I I和M h2 分別表示向量hi和h2的2-范數(shù)，T表示轉置； 所得的最佳波束賦形器W為：其中，口北表示向量h;在向量h:上的投影，nh,h2表示向量h2在向量h止的投影，巧》1； 表示向量h;在向量成的垂直空間上的投影，n,,|h:表示向量h2在向量hi的垂直空間上的投 影，*表示共輛； 當八曰2+0化2-。2)=0時： 一 U U.I. '二當 Aa2+D(t)2-c2) >0 時； 其業(yè) 其6.根據(jù)權利要求5所述的基于纔合式基站最大化通信系統(tǒng)吞吐量的方法，其特征在于， 所述的對時間分配參數(shù)T單獨進行優(yōu)化問題為:在對波束賦形器W完成優(yōu)化的基礎上，再基 于系統(tǒng)吞吐量達到最大對時間分配參數(shù)T進行單獨優(yōu)化，所得的近似最佳時間分配參數(shù)T 為：其牛 ^Lambert函數(shù)。7.根化儀化!巧本i/yr論的萃了M百、;tv萃化巧人化旭舊巧現(xiàn)甘HX至的乃法，其特征在于， 所述的步驟5)中通過處理檢測用戶節(jié)點的信息是指:混合式基站通過最大比合并的方法接 收直接來自用戶節(jié)點的信息W及用戶節(jié)點通過中繼節(jié)點轉發(fā)的信息。
【文檔編號】H04W16/28GK105916156SQ201610217311
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】鐘財軍, 梁晗, 張朝陽
【申請人】浙江大學