基于能效最大化的多用户信能同传系统收发机设计方法

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。

主权项

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P_total，采集功率约束值e_k，信干噪比约束值γ_k，采集电路单元的能量转化效率ζ_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进行等价变化，即然后对等价的功率约束项引入拉格朗日乘子λ得到部分拉格朗日函数：和相应的对偶问题，即：min d(λ)s.t.λ＞0其中，对偶函数d(λ)表示为$s.t.\frac{{\rho }_k{p}_k{g}_k}{{\rho }_k{\sigma }_k^2+{\delta }_k^2}\ge {\gamma }_k,k=\mathrm{1,2},...K,$${\zeta }_k(1-{\rho }_k)(p_k{g}_k+{\sigma }_k^2)\ge e_k,k=\mathrm{1,2},...K,$0≤ρ_k≤1,k＝1,2,...K.根据Dinkelbach思想，将d(λ)转化为减式形式，并将相应问题分解为K个独立子问题，第k个独立子问题如下：$\underset{p_k,{\rho }_k}{\max }{R}_k(p_k,{\rho }_k)-\lambda (p_k-\frac{P_{\mathrm{total}}}{K})-\eta ({\mathrm{\theta p}}_k+\frac{P_C}{K}-E_k(p_k,{\rho }_k))$$s.t.\frac{{\rho }_k{p}_k{g}_k}{{\rho }_k{\sigma }_k^2+{\delta }_k^2}\ge {\gamma }_k$${\zeta }_k(1-{\rho }_k)(p_k{g}_k+{\sigma }_k^2)\ge e_k$0＜p_k＜P_total0≤ρ_k≤1其中：R_k(p_k,ρ_k)为用户k的信道容量，E_k(p_k,ρ_k)为用户k的采集功率，ρ_k为用户k的功率分裂因子，K为总的用户数，P_C为系统固定总消耗功率，为天线引入的加性噪声方差，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h_k表示基站到用户k的信道向量，表示基站到用户k的最优迫零预编码的方向向量，η表示能效值，ζ_k表示采集电路单元的能量转化效率,表示功率放大器效率；(3)设λ＝0，求解K个独立子问题，得到对应的{p_k(λ),ρ_k(λ)}，判断是否满足总功率约束，即如果满足，输出{p_k(λ),ρ_k(λ)}求得最大能效值；否则执行下一步；(4)设λ＝λ+L，其中L为步长，求解K个独立子问题输出{p_k(λ),ρ_k(λ)}，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λ，输出拉格朗日乘子上界λ_u＝λ；(5)利用二分法思想求解拉格朗日乘子，即令其中λ_l＝0为拉格朗日乘子下界，求解K个独立子问题得到{p_k(λ),ρ_k(λ)}，判断是否满足总功率约束条件，如满足则令λ_u＝λ，否则令λ_l＝λ，重复该步骤直至其中ε为判定阈值，输出{p_k(λ),ρ_k(λ)}，如果{p_k(λ),ρ_k(λ)}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{p_k(λ),ρ_k(λ)}不满足总功率约束条件，那么令λ＝λ_u，求解K个独立子问题得到{p_k(λ),ρ_k(λ)}，该解即为问题的一个可行解；(7)计算传输预编码向量k＝1,2,...K，基站利用v_k对传输信号进行预编码，同时通过控制信道将每个功率分裂因子ρ_k(λ)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。