[发明专利]MU-MIMO无线能量/数据传输中的能量效率联合优化方法

说明书

本发明公开了一种在多用户MIMO无线能量/数据传输系统中的能量效率优化方法，兼顾上下行工作切换点以及基站发送功率。用户终端首先接收来自基站发送的能量，然后利用这些能量向基站发送数据。该方法优化的目标是系统能量效率最大，表示系统能够利用最少的能量进行最多的数据传输，这表明了系统的优化性。在对系统能量效率优化过程中，首先使用拉格朗日对偶法将问题进行等效，然后采用基于Dinkelbach算法的一种迭代算法对问题进行求解，获得最优能量效率。

技术领域

本发明属于无线通信网络领域的资源管理，特别是功率和时间资源管理技术，具体涉及一种在MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，多用户多输入多输出)无线能量/数据传输系统中兼顾上下行工作切换点、基站发送功率以及保证用户吞吐量的能量效率优化方法。

背景技术

近年来，随着物联网的发展，无线能量/数据传输系统引起了许多研究机构的重视。在这种系统中，基站仅向终端通过无线信号进行能量的传输，终端一般不具有固定的供能装置，或者其自身配备的功能装置只能维持其处于激活状态，终端的上行数据传输只能依靠接收到的基站传输的能量，并将该能量存储并转换为其发送数据所需的功率才能够进行。一个简单的例子是在工业传感器网络中，散布于极端环境下的传感器需要依靠外界的无线能量传输才能够进行正常的数据采集和传输。这样的系统广泛应用于物联网环境。

通常，无线能量/数据传输系统的采用TDD(时分双工)周期性工作，下行传输功率，上行传输数据。周期长度为T，又被称为时隙。在每个时隙T开始的τ时间内功率源(基站)向终端设备进行无线能量发送，整个系统工作在下行方向；在每个时隙的后(T-τ)时间内终端设备利用前τ时间内存储下来的能量向基站发送数据，整个系统工作在上行方向。

在无线能量/数据传输系统设计中，能耗优化是一个关键的指标。能耗优化涉及两个方面的问题：①优化目标选择问题。在无线能量/数据传输系统中，上行发送的数据量和系统消耗的能量是需要考虑的一对矛盾的因素。然而，多数研究优化的目标是在能耗一定的条件下系统数据发送量最大，或者发送数据量一定条件下能耗最小。然而最能衡量系统能耗的指标是系统上行的数据发送量与下行的功率发送量的比值，即能量效率，表示系统每消耗单位能量能够传输的数据量，单位是bits/Joule。现有的许多研究不论优化能耗还是优化数据量，事实上都缩减了优化目标的自由度，因此这样考虑下的能量效率不是最优的。②优化参数选择问题。由于终端接收能量和发送数据在每个时隙的τ这一时间点进行切换，因此τ的选择会对系统能量效率造成影响。小的τ意味着终端在一个周期T内收到的能量少，能量少对终端的上行传输数据量有负面影响，但小的τ会给予终端较长的时间上传数据，这对上行传输的数据量又有正面影响。因此τ是一个需要优化的参数。同时基站下行发送功率P₀的选择也会对系统能量效率造成影响。假设τ一定，P₀越小，终端进行上行数据传输的能量越小，这对上行传输的数据量有负面影响，难以满足用户的吞吐量需求；而P₀过大，在后面我们会会说明整个系统总的消耗能量的增量要大于上行发送数据量的增量，同样会使得系统能量效率下降。现有许多研究只考虑了优化τ或P₀其中一个因素。显然，τ和P₀任一单变量增大或者减小都不符合要求，需要对τ和P₀进行联合优化才能取得系统最高的能量效率。

再有，大量文献已经证明，MIMO系统通过在发送端和接收端同时使用多天线实现了空分复用，可以在容量一定时大大节省能量。因此许多文献研究开始试图将多天线技术应用在无线能量/数据传输系统中。然而由于MIMO系统中除了功率对数据传输速率产生影响外，空分信道个数(取决于用户终端天线数)也会对数据传输速率造成影响。因此，系统的自由度更大，造成的优化问题过于复杂。所以现有文献都假设用户终端只存在一根天线，将MIMO系统简化成了MISO系统，这大大降低了MIMO技术在能耗优化上的优势。

发明内容