[发明专利]一种多天线数能一体化通信网络的最大化上行吞吐量方法

权利要求书

1.一种多天线数能一体化通信网络的最大化上行吞吐量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定网络模型，建立数能一体化网络中的上下行网络模型；通过以下流程实现：

S11、基于TDMA的数能一体化蜂窝网络，基站具有K根天线，用户为单天线，基站BS以多天线广播形式通过下行信道分时地发送数能一体信号给M个用户(U₁,U₂,U₃,…,U_M)，用户通过上行信道分时地发送信息至所述基站；所述基站以恒定功率完成下行通信；基站与用户之间的信道在一个工作周期T内保持不变，和分别表示用户j的下行信道和上行信道的信道功率衰落，其中，信道均为AWGN信道；

S12、在的时间段内，所述基站以功率P^BS通过广播的形式与用户进行通信；用户通过功率分割技术以分割因子u_j将下行接收到的信号能量划分成两部分，一部分作为能量收集，另一部分接收的信号能量进行解码获得相应信息，其他用户则将接收到的信号全部作为能量进行采集；

S2、确定基站发射功率、噪声功率及能量转化率；通过以下流程实现：

S21、确定基站发射功率P^BS；

S22、确定用户j下行和上行信道噪声功率和用户j设备能量转换效率为β_j；

S3、确定用户下行业务需求，得到关于用户下行业务需求的数据量表达式及其约束；通过以下流程实现：

根据波束成形技术，用户j接收到的射频信号强度γ_j为

确定用户j下行数据量的最低需求D_j(bit/Hz)；根据功率分割原理和波束成形理论，用户j下行接收到的数据量表达式为：

可以得出下行数据量约束为

其中，j＝1,2,3...M；S4、根据功率分割技术原理得到每个用户下行接收到的数据量和收割到的能量的表达式；通过以下流程实现：

根据功率分割技术的原理和所述网络模型，得到用户j收割到的能量表达式为

S5、根据所述S4中得到的用户下行收集到的能量的表达式得到用户上行数据量的表达式；通过以下流程实现：

S51、根据信道增益，采用最大比合并的方式确定基站接收天线的合并比例ω_r，得到上行接收增益θ_j；

S52、根据所述网络模型，得到用户j上行数据量表达式为

S6、通过连续凸近似的优化方法优化用户的上行下行时隙、功率分割因子和基站的天线波束因子完成上行总吞吐量最大化，并得出传输策略；通过以下流程实现：

S61、初始化基站发送发射天线的波束因子作为迭代的初始值，通过求解第一优化问题获得

μ_j＝0,

j＝1,2,...,M

由于对于包含的ω_t项都是非凸的，进行半正定松弛

S＝ω_tω_t^H

之后波束的优化均优化S；

S62，若S61的优化结果大于T，表示当前的信道状态无法满足下行的用户数据量需求；

S63、若S61的优化结果小于T，通过优化得到的ω_t进行连续凸近似求解，并初始化迭代结果R₀＝0；

S64、固定ω_t求解时隙分配和功率分割因子，第二优化问题为

对所述第二优化问题进行变量替换，令得到第三优化问题

j＝1,2,...,M

所述第三优化问题为凸优化问题；

S65、所述第三优化问题为凸优化问题，通过拉格朗日对偶法得到其最优解；由于运算复杂度过高，对所述S64中的第三优化问题进行变换得到第四优化问题

j＝1,2,...,M

其中，R为变量；

S66、设置R_min为0，R_max为正数值，取通过拉格朗日对偶法对所述S63中的问题求解；若优化结果大于T，取R_max＝R，若优化结果不大于T，取R_min＝R，再将值代入所述S63中求解，直到R_max-R_min＜ε，其中，ε为误差容限，得到最优解；

S67、根据所述S66得到的求解结果，再迭代求解ω_t，通过第五优化问题完成

S68、求解所述S67后，迭代次数i＝i+1，更新迭代结果R_i，若当前迭代结果与之前迭代结果的差值小于预设门限，即R_i-R_i-1＜ε，i＞0，得到次优迭代结果，退出迭代；若R_i-R_i-1＞ε，返回步骤S64继续迭代；

S69、通过svd分解S得到对应的波束因子ω_t，同时得到用户对应的时隙长度和功率分割因子，完成上行总吞吐量最大化，并得出传输策略。