基于能效最大化的多用户信能同传系统收发机设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及绿色无线通信传输技术领域，具体为多用户MIS0(MultipleInput SingleOu化ut)无线信能同传下行链路系统中能效最大化优化方案设计。
【背景技术】
[0002] 随着无线网络技术的快速发展，射频（Radio化equency,RF〇信号由于其不仅能够 传输信息同时也能传输能量的双重角色，引起了国内外各学者的极大重视。在绿色通信方 面，该种技术的出现，对现阶段无线网络中较为复杂的功率能量约束问题提供了一种有效 有前景的解决方案。于是人们开始着手无线信能同传系统，即既能够传输信息又能传输能 量系统的研究。
[0003] 然而在研究初期，现有的研究工作多W提升频谱效率为目标，对多载波、多天线系 统的载波分配、功率分配，波束成形/预编码等方法进行了大量的研究，却忽略了绿色通信 系统设计中一个重要的性能指标一一能量效率，简称能效。能效，是指在能源利用中，发挥 作用的与实际消耗的能源量之比，换句话说，是指为终端用户提供的服务与所消耗的总能 源量之比，因此在绿色通信中，能效已渐渐成为无线通信特别是无线功率传输系统中的一 个重要度量标准。但是，能效问题在数学上是一个非凸且高度复杂的分式问题，因此为了解 决该个问题，我们设计了一种基于拉格朗日松弛（Lagrangianrelaxation，LR)的波束成形 方法，该种方法的基本思想是将目标函数中造成问题难的约束吸收到目标函数中，从而将 问题容易分解为一系列子问题，然后通过迭代求解该些子问题最终设计好传输预编码和功 率分裂因子，最终达到信息与能量同时传输的目的，即对信能同传系统的收发机设计。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于能效最大化的多用户信能 同传系统收发机设计方法。
[0005] 本发明的目的是通过W下技术方案来实现的，一种基于能效最大化的多用户信能 同传系统收发机设计方法，其特征在于，包括W下步骤：
[000引 （1)初始化如下变量；总功率约束值PtMd，采集功率约束值6k，信干噪比约束值 丫k，采集电路单元的能量转化效率Ck，k= 1，2, . ..，K;
[0007] (2)对MU-MISO无线信能同传系统下的能效最大化问题中的传输总功率约束项
【主权项】
1. 一种基于能效最大化的多用户信能同传系统收发机设计方法，其特征在于，包括以 下步骤： (1) 初始化如下变量：总功率约束值Ptrtal，采集功率约束值ek，信干噪比约束值Y k，采 集电路单元的能量转化效率G k，k = 1，2,. . .，K ; (2) 对MU-MISO无线信能同传系统下的能效最大化问题中的传输总功率约束项
根据Dinkelbach思想，将d( X )转化为减式形式，并将相应问题分解为K个独立子问 题，第k个独立子问题如下：
0. Pk< P total 0彡Pk彡I 其中：Rk(pk，Pk)为用户k的信道容量，E k(pk，Pk)为用户k的采集功率，Pk为用 户k的功率分裂因子，K为总的用户数，P。为系统固定总消耗功率，of为天线引入的加性 噪声方差，武2为射频信号转变为基带信号进行信号处理时引起的加性噪声方差，并定义
率； (3)设A = 〇,求解K个独立子问题，得到对应的{pk(A)，pk(A)}，判断是否满足总
下一步； ⑷设人=人+L，其中L为步长，求解K个独立子问题输出{pkU)，Pk(入）}，重复该 步骤直至找到满足总功率约束条件的拉格朗日乘子A，输出拉格朗日乘子上界Au=入；
子下界，求解K个独立子问题得到{pk(A)，pk(A)}，判断是否满足总功率约束条件，如满
{Pk(A)，pk(A)}，如果{Pk(A)，p k(A)}满足总功率约束条件，该解即为问题的最优解， 因此可求出无线信能同传系统下的最大能效； (6)如果步骤5最终得到的{pk(A)，pk(A)}不满足总功率约束条件，那么令入= 入u，求解K个独立子问题得到{pk( A )，p k( A )}，该解即为问题的一个可行解；
预编码，同时通过控制信道将每个功率分裂因子Pk(A)发送到相应的用户，每个用户设定 功率分裂因子，完成信能同传系统的收发机设计，可以进行信息与能量的同时接收。
2.根据权利要求1所述的一种基于能效最大化的多用户信能同传系统收发机设计方 法，其特征在于，所述K个独立子问题的求解基于Dinkelbach迭代方法，具体包括以下子步 骤： (1. 1)初始化迭代次数n = 〇、可行解{/4nl，pr}，并计算出对应的能效值n (n)，其中 if 分别表示用户k在第n次迭代所求得的传输功率和功率分裂因子，n (n)表示为：
(1. 2)更新迭代次数n = n+1，求解第k个子问题，即求解该子问题所对应的四个一元 多次方程，即：
求出对应闭式解集合{pk，Pk}，找出满足可行域O彡P k彡1和Hiaxd1 (Pk) ,I2(Pk))
最大值时对应的即为用户k所求的解，重复该步骤直到所有子问题都找到对应 解，i = 1，2, ? ? ?，k-1，k+1，? ? ?，K，并计算能效值 n (n);
的最终解;否则执行步骤（1. 2)。
【专利摘要】本发明公开了一种基于能效最大化的多用户信能同传系统收发机设计方法，该方法的核心思想为：利用拉格朗日松弛技术将复杂的基于能效最大化的多用户信能同传系统设计问题分解为一系列具有闭式解的子问题，即对传输总功率约束项进行等价变化，对等价的功率约束引入拉格朗日乘子得到部分拉格朗日函数和相应的对偶问题；然后利用二分法和Dinkelbach方法求解对偶问题得到最优能效；最后基站得到最大能效所对应的预编码向量并通过控制信道将接收功率分裂因子发送给用户，完成信能同传系统的收发机设计，在实现信息与能量传输的同时使得系统的能效达到最大。
【IPC分类】H04B7-02, H04B7-04
【公开号】CN104821838
【申请号】CN201510200542
【发明人】史清江, 彭成, 徐伟强
【申请人】浙江理工大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月24日