一种具有不完全CSI的大型多天线网络能效资源分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种具有不完全CSI的大型多天线网络能效资源分配方法，采用能量收集的方法对用户设备进行充电，用户设备利用收集的能量给基站传送数据；采用N根天线搭配多天线系统，构建块衰落信道模型，对块衰落信道模型进行信道估计，得到基站与用户设备之间的估计信道容量；基于全面考虑收发端的功率消耗以及电路损耗，分析并得出了使得能量效率最优化的天线选择算法，使得多天线系统的能量效率有极大提高。本发明专利技术的方法在不完备信道估计下采用能量收集技术，天线选择算法以及资源分配优化算法有效地提高了多天线网络的能量效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种具有不完全CSI的大型多天线网络的能效资源分配方法。
技术介绍
智能手机产业，多媒体业务和移动应用的爆炸性增长高度依赖于高速数据无线网络的发展。虽然快速增长的高数据率无线系统的不断改变我们的生活，甚至改变我们的日常行为，但在当前网络对高数据速率服务的需求仍是紧张的，移动终端的电池消费也比从前快很多。另一方面，对比高数据速率服务和高速无线网络的需求而言，电池技术的发展是缓慢而渐进的。这种不匹配必然导致研究人员对提高无线网络中需要连续运行的移动终端的生命周期的研究兴趣和热情。有限的电池容量是提高生命周期的主要障碍之一，同时它也是提高用户高数据速率多媒体服务的主要障碍。一个延长移动终端的生命周期的方法是提供能量供应。然而，给电池充电或者替换移动终端的电池可能会导致高成本，有时甚至是不方便的或者不可能实现的。在当前这种环境下，能量收集技术可以一种持续的方式延长能量受限网络的生命周期。能量收集技术使无线网络中的接收设备从周围的环境中收集能量成为可能。与此同时，大多数的能量源是以来距离的，例如太阳能和风能等。然而，针对那些几乎不能接入太阳能或者风能这些能量源的无线设备而言，如何提供能量供应又是问题所在。最近，除了从太阳能、风能、振动、热电效应或其他物理现象中获取能量的技术外，在无线通信网络中，无线功率传输成为研究的热点，它为传统的能量受限的网络提供了一个有前途的解决方案。因为射频信号不仅可以携带信息，还可以传递能量，这在延长电池声明周期和提高系统能效方面做出了巨大的贡献。MIMO(Multiple-InMulti-Out,多输入多输出)技术是未来通信网络中实现信息高速传输的关键技术之一，它能在不增加带宽的情况下，成倍地提高通信系统的互信息量和频谱效率。大型多天线的好处不仅包含了MIMO的优势，还包括当天线数目趋于无穷时，一些衰落和不相关的噪声的影响都会消失，从而使得频谱效率与带宽无关。由于大型多天线通信系统中的发送天线数目很多，而移动终端数量远远小于BS的发送天线数量，虽然系统中频谱效率显著提高，但是通信中的能量消耗的问题也愈加严重。发送天线数目越多，所使用的射频(RF)链路也越多，而RF链中相应的数模转换器、混频器、发送滤波器、频率合成器、低噪声放大器、音频放大器、滤波器和模数转换器的功率损耗也愈多，能耗愈多。因此系统进行天线选择是很有必要的，在降低功率损耗的同时来提高系统能量效率。由于信道估计误差的存在，发射端很难获得完全信道状态信息(CSI)，信道训练过程是系统获知CSI所必需的，这种过程的不完备性会直接导致系统性能的下降。因此，与完备信道对比，不完备信道下问题的研究则更符合实际的研究情况。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种系统能效高、计算简单的具有不完全CSI的大型多天线网络能效资源分配方法。为实现上述目的，本专利技术所述方法包括以下步骤：步骤1，基站(BS)通过信道估计器对块衰落信道进行训练估计，得到估计后的信道；步骤2，利用无线功率传输的方式，用户设备从基站收集能量；步骤3，考虑信道中不完备CSI的情况，计算多天线系统中当发送天线数为N时的信道容量；步骤4，考虑信道中不完备CSI的情况，计算多天线系统中加入天线选择技术后最优天线数为L时的信道容量；步骤5，建立功率损耗模型，并基于上述天线选择后的信道容量和功率损耗模型建立能量效率模型；步骤6，利用基于二分查找的天线选择算法和最优化资源分配算法，通过拉格朗日乘子法对上述能量效率模型进行时间和发送功率的联合优化，得到最优的天线数和最优的能效值。步骤7，根据上述最优能量效率得到最优的发送功率。进一步的，步骤1中，估计后的信道为：H^=H-ΔE]]>其中，为估计后的基站和用户之间的信道矩阵；H为基站和用户设备之间完备的信道；ΔE代表估计误差，并且有是信道估计误差的方差。进一步的，在步骤2中，将基站和用户设备之间的通信划分为两个时间段，在第一个时间段内，基站通过无线功率传输(WPT)为用户充电，在第二时间段，用户利用收集到的能量将信息传送至基站。根据能量守恒定律，用户在第一时间段内收集到的能量为：EU=ηαPt|H^Hβ|τ]]>其中，η代表用户将收集的功率转化为电能存储起来的转化效率；α代表基站和用户设备之间依赖于距离产生的路径损耗；Pt代表基站端的发送功率；β为能源波束成形矩阵，有τ为在一个时间块中第一段的时间。进一步的，步骤3中，在不完备信道估计的前提下，计算得出多天线中当发送天线数量为N，且N>>1时上行链路的互信道容量：C=log2(1+NEUT-τασn2+EUαT-τσe2)]]>其中，T表示上行和下行链路一个时段的总时间，是加性高斯白噪声的方差，是信道估计误差的方差，Δh服从复高斯分布(ComplexNormalDistribution)，即进一步的，步骤4中，在不完备信道估计的前提下，计算得出多天线系统中当发送天线总数为N且N>>1，选择出最优天线数为L时上行链路的信道容量：C=log2(1+(1+lnNL)EUα/(T-τ)σn2+EUασe2/(T-τ)L).]]>进一步的，步骤5所述的功率损耗模型为：U(Pt,τ,L)＝(LPbs+Puser)T+Ptτ式中，Pbs是基站端每根天线的功率损耗，Puser是用户端的功率损耗，分别由下面两个公式表示，Puser＝2Psyn+PLNA+Pmix+PIFA+Pfilr+PADCPbs＝PDAC+Pmix+Pfilt式中，PDAC,Pmix,Pfilt,Psyn,PLNA,PIFA,Pfilr,PADC分别表示数模转换器、混频器、发送滤波器、频率合成器、低噪声放大器、音频放大器、滤波器和模数转换器的功率损耗；基于上述的功率损耗模型，计算所述能量效率模型：ee(Pt,τ,L)=CU(Pt,τ,L).]]>进一步的，步骤7中，获取最优能效对应的最优发送功率如下式：Pt*=12(X3-X4)2X22+4Πi=15Xi-X3X2-X4X2X3X4]]>其中，Χ1～Χ5分别为：X1=ηα||H^||2τ(L+LlnLN),X2=(T-τ)σn2,X3=ηα||H^||2τσe2,]]>X4=ηα||H^||2τ(L+LlnLN)+ηα||H^||2τσe2,X5=X22+X2X3Pt+X4X2Pt+X4X3Pt2X1X2.]]>工作过程大致如下：在不完备信道估计下MassiveMIMO天线选择的能效资源分配方法，通过能量收集，MassiveMIMO，天线选择，波束成形等技术，提出需要优化的能量效率模型，将目标问题和约束条件下通过拉格朗日乘子法求解，获取最优的能量效率，得出BS端最优的发送功率。与现有技术相比，本专利技术方法具有如下优点：1、天线选择方法基于一个二分查找算法来快速找到最优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有不完全CSI的大型多天线网络能效资源分配方法，主要包括用户设备、基站、天线，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，基站(BS)通过信道估计器对块衰落信道进行训练估计，得到估计后的信道；步骤2，利用无线功率传输的方式，用户设备从基站收集能量；步骤3，考虑信道中不完备CSI的情况，计算多天线系统中当发送天线数为N时的信道容量；步骤4，考虑信道中不完备CSI的情况，计算多天线系统中加入天线选择技术后最优天线数为L时的信道容量；步骤5，建立功率损耗模型，并基于上述天线选择后的信道容量和功率损耗模型建立能量效率模型；步骤6，利用基于二分查找的天线选择算法和最优化资源分配算法，通过拉格朗日乘子法对上述能量效率模型进行时间和发送功率的联合优化，得到最优的天线数和最优的能效值。步骤7，根据上述最优能量效率得到最优的发送功率。

【技术特征摘要】
1.一种具有不完全CSI的大型多天线网络能效资源分配方法，主要包括用户设备、基站、天线，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，基站(BS)通过信道估计器对块衰落信道进行训练估计，得到估计后的信道；步骤2，利用无线功率传输的方式，用户设备从基站收集能量；步骤3，考虑信道中不完备CSI的情况，计算多天线系统中当发送天线数为N时的信道容量；步骤4，考虑信道中不完备CSI的情况，计算多天线系统中加入天线选择技术后最优天线数为L时的信道容量；步骤5，建立功率损耗模型，并基于上述天线选择后的信道容量和功率损耗模型建立能量效率模型；步骤6，利用基于二分查找的天线选择算法和最优化资源分配算法，通过拉格朗日乘子法对上述能量效率模型进行时间和发送功率的联合优化，得到最优的天线数和最优的能效值。步骤7，根据上述最优能量效率得到最优的发送功率。2.根据权利要求1所述的一种具有不完全CSI的大型多天线网络能效资源分配方法，其特征在于：步骤1中，估计后的信道为：H^=H-ΔE]]>其中，为估计后的基站和用户之间的信道矩阵；H为基站和用户设备之间完备的信道；ΔE代表估计误差，并且有是信道估计误差的方差。3.根据权利要求1所述的一种具有不完全CSI的大型多天线网络能效资源分配方法，其特征在于：在步骤2中，将基站和用户设备之间的通信划分为两个时间段，在第一个时间段内，基站通过无线功率传输(WPT)为用户充电，在第二时间段，用户利用收集到的能量将信息传送至基站；根据能量守恒定律，用户在第一时间段内收集到的能量为：EU=ηαPt|H^Hβ|τ]]>其中，η代表用户将收集的功率转化为电能存储起来的转化效率；α代表基站和用户设备之间依赖于距离产生的路径损耗；Pt代表基站端的发送功率；β为能源波束成形矩阵，有τ为在一个时间块中第一段的时间。4.根据权利要求1所述的一种具有不完全CSI的大型多天线网络能效资源分配方法，其特征在于：步骤3中，在不完备信道估计的前提下，计算得出多天线中当发送天线数量为N，且N>>1时上行链路的互信道容量：C=log2(1+NEUT-τασn2+EUαT-τσe2)]]...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭希娟，常征，王中宇，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13