基于SWIPT的单用户MIMO系统空分模式切换方法

摘要

基于SWIPT的单用户MIMO系统空分模式切换方法，属于MIMO系统空分模式切换领域。现有MIMO系统空分模式切换方法无法在能量手机和信息解码两种模式之间任意切换的问题。一种基于SWIPT的单用户MIMO系统空分模式切换方法，首先选择用户条件最好的用户进行信息传输，根据功率注水算法分配功率并计算系统和速率将其与系统最低传输速率要求R_min进行比较，不满足系统要求则增加天线再次计算系统和速率，直到满足系统要求为止；其余所有天线用于能量收集，根据能量波束形成算法进行能量分配与传输，最终计算接收端收集能量总和本发明适用于基于SWIPT技术的单用户MIMO系统的工作模式切换。

主权项

一种基于SWIPT的单用户MIMO系统空分模式切换方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：步骤一、设发送端发送信号能量为P，则信号能量按系数α分为两部分并分别赋给接收端的IR部分与ER部分，则IR部分和ER部分接收能量分别表示为：P_IR＝αζP   (1)P_ER＝(1‑α)ζP   (2)其中，常数α表示总能量中IR部分接收能量占比，且α＝N_ID/N，0<α<1；常数ζ表示能量衰减系数，且ζ＝1/|d|^μ，0<ζ<1，d表示发送端与接收端之间距离，μ表示衰减因子；N_ID表示IR部分用于信息接收的天线数；N表示天线总数；设N_ER表示ER部分用于能量收集的天线数，则N_ER＝N‑N_ID；步骤二、设发送端发送天线的数量为M，M≤N_ID<N，各发送天线采用复用模式发送不同信息，取接收端信道条件最好的接收天线定义为能量接收端的天线1，通过功率注水方法进行功率分配，AWGN信道下，信息接收天线k的接收信号表示为：$\begin{array}{c}{y}_k=Hx+z_k\\ =\left(\sqrt{P_k}{h}_k{w}_k\right)s_k+\underset{j\ne k}{\Sigma }\sqrt{P_j}{h}_k{w}_j{s}_j+z_k\end{array}---\left(3\right)$其中，H表示信道状态矩阵；x表示发送信号；k表示天线序号；第一项表示用户天线k的有用信号；第二项表示多用户干扰信息；z_k表示高斯白噪声；P_k表示发送端天线k的发送信号功率；h_k表示H矩阵中的第k行向量；w_k表示权重向量；s_k表示天线k发送的信号；P_j表示多用户干扰信号分配功率；w_j表示权重向量；s_j表示天线j发送的信号；并利用ZFBF方法进行预编码，去除式(3)表示的信息接收天线k的接收信号中的干扰信息，并在满足迫零约束的条件下，将式(3)改写为：$\underset{k\in \Omega }{\Sigma }\left|\right|w_k|{|}^2{P}_k\le \alpha P---\left(4\right)$且和容量计算公式为：$R_{ZFBF}\left(\Omega \right)=\underset{w_k,P_k}{max}\underset{k\in \Omega }{\Sigma }log(1+P_k)---\left(5\right)$同时，式(5)满足：$\underset{k\in \Omega }{\Sigma }\left|\right|w_k|{|}^2{P}_k\le \alpha P---\left(6\right)$式中，P_k表示发送端发送天线k的发送信号分配功率，Ω表示参与通信的用户集合，w_k表示权重向量，d_k表示发送信息；n_k表示白噪声；步骤三、设定系统要求的最低传输速率为R_min，比较步骤二中式(5)计算的和容量R_ZFBF与最低传输速率R_min的大小，并确定是否进行功率分配：若R_ZEBF>R_min，则进行步骤四的操作，之后结束IR部分的功率分配；若R_REBF≤R_min，则选择接收端信息接收天线中剩余的信道条件最好的天线与步骤二中的IR部分的息接收天线一起进行信息传输，遍历所有N_ID根信息接收天线，重复步骤二的过程进行功率分配，进而计算信息传输速率，直到R_ZEBF>R_min为止；步骤四、接收端利用剩余的N_ER根能量收集天线进行能量收集，将N_ER根能量收集天线标记为1～N_ER，则能量收集天线j，j∈[1～N_ER]的接收信号为：$y_j=\sqrt{P_1}{h}_j{w}_1{d}_1+...+\sqrt{P_{N_{IR}}}{h}_j{w}_{N_{IR}}{d}_{N_{IR}}+n_j---\left(7\right)$得接收端收集能量为：$Q=E\left[\underset{j=1}{\overset{N_{ER}}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{N_{IR}}{\Sigma }}\left|\right|\sqrt{P_i}{h}_j{w}_i{d}_i|{|}^2\right]---\left(8\right)$其中，E为取均值的数学运算符号，P_i表示发送端发送天线j的发送信号分配功率；h_j表示H矩阵中的第j行向量；w_i表示权重矩阵W的第i列向量；d_i表示用户i发送的数据。