無(wú)線信能同傳系統(tǒng)的吞吐量?jī)?yōu)化研究

吳慧明，王海濤，宋振東，曹紅葉，武志強(qiáng)

無(wú)線信能同傳系統(tǒng)的吞吐量?jī)?yōu)化研究

吳慧明，王海濤*，宋振東，曹紅葉，武志強(qiáng)

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

本文研究了在下行網(wǎng)絡(luò)中，大規(guī)模多輸入單輸出（MISO）無(wú)線信息和能量同傳（SWIPT）系統(tǒng)的吞吐量?jī)?yōu)化問題．在該場(chǎng)景下，發(fā)送端發(fā)送波束成型信號(hào)與用戶進(jìn)行通信，接收端采用時(shí)間切換器進(jìn)行信號(hào)分割，按照時(shí)隙切換分別進(jìn)行信息和能量的收集．通過運(yùn)用波束成型技術(shù)，采取時(shí)間分配方案，提高能量獲取效率．為了簡(jiǎn)化目標(biāo)函數(shù)，降低算法的復(fù)雜度，提高傳輸速率，提出了基于迫零準(zhǔn)則的波束成型方案，并用拉格朗日對(duì)偶法將該非凸問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)半定規(guī)化問題求解．最后，通過仿真驗(yàn)證算法，仿真結(jié)果證明基于時(shí)間切換器的無(wú)線信息和能量同傳系統(tǒng)的正確性和合理性．

無(wú)線信能同傳；波束成型；拉格朗日對(duì)偶法

近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)巨大的改變，同時(shí)，科技的進(jìn)步、人們需求的提高也推動(dòng)著無(wú)線通信技術(shù)高頻快速地迭代更新，3G、4G、5G技術(shù)的不斷推進(jìn)，未來(lái)高速度、低功耗、低時(shí)延無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將成為市場(chǎng)的主流．據(jù)預(yù)測(cè)，到2025年連接新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備將達(dá)千億[1]．新興事物的快速發(fā)展，也帶來(lái)一些前所未有的問題，比如移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端能耗的問題，以往手機(jī)充電可用一周，如今的智能手機(jī)在電池容量不斷提高的情況下，也幾乎要一天一充；移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)也是一樣，上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)防入侵系統(tǒng)要鋪設(shè)3萬(wàn)多傳感節(jié)點(diǎn)，其電池更換會(huì)帶來(lái)極大的工作量和環(huán)境影響．有些還有安全性問題，有些傳感器和充電設(shè)備所處的環(huán)境比較惡劣，如礦井、油井、水下等高溫、高壓、有毒等環(huán)境中，更換電池非常困難，并且給相關(guān)人員帶來(lái)一定的人身危險(xiǎn)．此外還有壽命問題，綠色環(huán)保問題等等，因此，如何能降低能耗，延長(zhǎng)壽命，持續(xù)穩(wěn)定地供電成為研究的重點(diǎn)問題．對(duì)此，學(xué)術(shù)界利用SWIPT思想，提出了無(wú)線信息和能量同傳技術(shù)．

利用電磁波可在空間中自由傳播并傳輸能量的特點(diǎn)，人們想到了無(wú)線能量傳輸（Wire-less Energy Transfer，WET）[2,3]．然而，電磁波不僅可以用來(lái)傳輸能量，還可以用來(lái)傳遞信息，將二者相結(jié)合的研究已成為當(dāng)下熱點(diǎn)，無(wú)線信息和能量同傳技術(shù)（SWIPT）相應(yīng)而生．2008年，美國(guó)麻省理工大學(xué)的Varshney教授率先提出了無(wú)線信能同傳，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析和公式推導(dǎo)[4]．在SWIPT系統(tǒng)中，一些研究提出了用半正定規(guī)劃松弛的方法解決遇到的非凸優(yōu)化問題，從而實(shí)現(xiàn)提高信干噪比和保證足夠的能量獲取[5-8]．在降低計(jì)算的復(fù)雜度方面，Q. Shi提出了迫零（Zero Forcing，ZF）算法，利用迫零波束成型技術(shù)降低復(fù)雜度，消除多用戶間的相互干擾[9,10]．Z. Xiang提出了魯棒波束成型，他構(gòu)建的模型是最簡(jiǎn)單的3點(diǎn)MU-MISO系統(tǒng)，在信道具有范數(shù)約束的不確定的情況下最大化獲取能量，設(shè)計(jì)魯棒波束成型，這個(gè)問題是一個(gè)非凸問題，最后通過半正定松弛來(lái)求解[11]．根據(jù)接收信息不能同時(shí)用于信息收集和能量收集這一現(xiàn)實(shí)情況，R. Zhang等提出了兩種解決方案，一種是時(shí)間切換型（time-switching）接收機(jī)，一種是功率分配型（power-splitting）接收機(jī)．時(shí)間切換型接收機(jī)是將接收到的信號(hào)按照時(shí)隙切換分別進(jìn)行信息和能量的收集；功率分配型接收機(jī)是將接收到的信號(hào)分開，分別進(jìn)行信息和能量的收集[12]．隨后，無(wú)線信息和能量同傳的應(yīng)用逐漸推廣，研究的模型包括多用戶系統(tǒng)，多輸入單輸出（Multiple Input Single Output，MISO）系統(tǒng)，多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）系統(tǒng)，全雙工系統(tǒng)（Full Duplex，F(xiàn)D）等[13-27]．本文提出了一種基于時(shí)間切換器的無(wú)線信息和能量同傳系統(tǒng)，在本系統(tǒng)模型中，研究的是吞吐量的最大化設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)吞吐量的最大化，我們建立的模型為滿足波束成形的總功率小于其最大的發(fā)送功率條件下，系統(tǒng)總速率的最大化．

1 系統(tǒng)模型

圖1為系統(tǒng)模型示意圖，在本系統(tǒng)中，發(fā)送端為多天線，其配有K根發(fā)送天線，接收端為單天線用戶．

圖1 基于時(shí)間切換器系統(tǒng)模型示意圖

發(fā)送端采用波束成型技術(shù)為其對(duì)應(yīng)的接收端發(fā)送信號(hào)，接收端在接收天線處引入加性高斯白噪聲．在時(shí)間切換模式下，接收端配有時(shí)間切換器，信號(hào)在被接收后，不同的時(shí)間段送接收端不同的接收機(jī)，在時(shí)間切換器的作用下，將接收到的信號(hào)按照時(shí)間進(jìn)行切換．以一個(gè)周期為總的信號(hào)持續(xù)接收時(shí)間，在該時(shí)間段內(nèi)，第一個(gè)階段為，其中為時(shí)間切換系數(shù)，且在這一時(shí)間段內(nèi)，用戶接收信號(hào)并將其用于信息解調(diào)；在這個(gè)周期的剩余時(shí)間段內(nèi)，用戶接收信號(hào)并將其用于能量收集．信號(hào)表示為：

將（2）式代入（3）得：

在一個(gè)持續(xù)接收時(shí)間周期T內(nèi)，用戶收集的平均功率為：

2 利用“迫零”設(shè)計(jì)波束成型策略

通過“迫零”設(shè)計(jì)波束成型策略，使得除目標(biāo)用戶以外的所有用戶的信道均與目標(biāo)用戶的波束成型向量正交，從而達(dá)到解決相關(guān)干擾的目的，大大優(yōu)化了SINR，提升了速率．

由此可知，原問題可轉(zhuǎn)化為：

3 優(yōu)化算法求解

目標(biāo)函數(shù)通過KKT條件求解：

式（17）中，前3式是拉格朗日（Karush-Kuhn-Tucker）KKT互補(bǔ)松弛條件，5式和6式是拉格朗日KKT導(dǎo)數(shù)約束條件，7式和8式是原約束條件，最后1式是拉格朗日KKT對(duì)偶問題的約束條件．通過計(jì)算得：

由式（18）、（19）解得：

上式表明，如果用戶的信道狀態(tài)越好，那么分配給該用戶的波束成型向量的功率就越高，同時(shí)，在時(shí)間切換的一個(gè)周期內(nèi)，用于信息解調(diào)的時(shí)間可以更長(zhǎng)，從而可以更充分地利用條件更好的信道．反之，如果用戶的信道狀態(tài)較差，那么分配給該用戶的波束成型向量的功率就相對(duì)較少，在時(shí)間切換的一個(gè)周期內(nèi)，用于信息解調(diào)的時(shí)間相對(duì)較短．

4 仿真分析

在本節(jié)中，對(duì)基于時(shí)間切換器的無(wú)線信能同傳系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證．仿真中，考慮該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)基站、4根發(fā)射天線、4根接收天線和3個(gè)用戶組成．假設(shè)信道噪聲和信息轉(zhuǎn)換引入的噪聲均為加性高斯白噪聲，且噪聲的方差為-50dBm，假設(shè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率為0.7，在此情況下，研究系統(tǒng)的性能．通過MATLAB搭建基于時(shí)間切換器的無(wú)線信能同傳系統(tǒng)的仿真環(huán)境，經(jīng)過10000次蒙特卡羅仿真．

圖2 不同距離時(shí)，系統(tǒng)吞吐量與發(fā)射功率的關(guān)系曲線

圖3 系統(tǒng)最佳時(shí)間切換系數(shù)與發(fā)射功率的關(guān)系曲線

5 結(jié) 論

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On Throughput Optimization Based on SWIPT Technology

WU Huiming, WANG Haitao*, SONG Zhendong, CAO Hongye, WU Zhiqiang

（）

This paper studies the throughput optimization of Multiple Input Single Output (MISO) Simultaneous Wire-less Information and Power Transfer (SWIPT) system in downlink networks. In this scenario, the transmitter sends beam-forming to communicate with the user, the receiver uses time switch to segment the signal, and collects information and power according to the time slot switching. By using beamforming technology, time allocation scheme is adopted to improve the efficiency of energy acquisition. In order to simplify the objective function, reduce the complexity of the algorithm and improve the transmission rate, a beamforming scheme based on zero forcing criterion is proposed, and the nonconvex problem is transformed into a semi definite programming problem by Lagrange dual method. Finally, the algorithm is verified by simulation. Simulation results show that the simultaneous interpreting system based on time switcher is correct and efficient.

SWIPT; Beam-forming; Lagrangian dual method

TN929

A

1672-0318（2022）01-0015-06

10.13899/j.cnki.szptxb.2022.01.004

2021-09-22

2020國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U1913213）．

吳慧明，山東新泰人，碩士研究生，副教授，主要研究方向?yàn)榭刂?、通信、職教等?/p>

王海濤，男，黑龍江齊齊哈爾，博士，講師，超精密加工，流體力學(xué)．

（責(zé)任編輯：羅歡）