[发明专利]一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法

说明书

一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法，考虑多天线次用户基站向单天线次用户接收机同时传输无线信息和能量的场景，次用户采用功率分离接收机结构，建立在满足次用户通信质量、次用户捕获能量以及对主用户干扰影响的约束条件下，最小化次用户基站发送功率的优化问题，联合对基于有益干扰的预编码矢量和次用户接收机功率分离因子进行优化，并利用二阶锥规划相关理论对建立的优化模型进行求解。通过仿真验证，利用有益干扰的方案比传统的波束成形设计方案在满足相应约束条件下所需要的次用户基站发送功率更小。

技术领域

本发明涉及无线携能通信认知网络领域，具体为一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法。

背景技术

近年来，随着各种移动设备的快速发展，传统持续供电的通信网络流量增加，能源消耗问题引起极大关注，当网络节点所处的环境过于复杂时，给节点不定时更换电池存在许多困难，因此能量限制成为影响无线网络生命周期和性能的关键因素。为了给无线通信网络设备的运作提供持续的能量，无线能量传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)获得了广泛研究并取得了显著进展。无线能量传输技术与通信网络的广泛结合，使同时向网络设备传输信息和能量的方案有了极大的需求。为了解决这一问题，Varshney在2008年提出了无线携能通信技术(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)，同时，为了提高网络的频谱效率，将无线能量传输技术引入到认知网络中，可以对网络的能量效率和频谱效率有极大提升。而对于认知网络中的多用户系统场景，为了避免多用户之间的相互干扰，对多天线发射端进行预编码设计是很有必要的。

现阶段有关多用户无线能量传输认知网络波束成形设计的研究也十分广泛，主要有对无线携能通信在满足主用户通信需求的情况下，次用户网络能量与信息传输均衡问题、不完美信道信息下的鲁棒性波束成形设计以及多输入单输出无线能量传输认知网络中多目标资源分配问题等方面的讨论。值得注意的是，在基于无线携能通信的认知网络中，对系统性能的分析需要对波束成形向量与功率分离系数进行联合优化。传统对于多输入单输出下行链路的波束成形设计，是利用信道状态信息，对发射机传输信号进行预编码，减小多用户之间的干扰，对网络性能进行优化，近年来，一些研究提出一种新的观点，利用在下行链路传输的干扰信号进行数据辅助波束成形，在每个符号的基础上，对瞬时干扰进行处理，使干扰建设性地旋转到每个用户有用信号的检测区域，从而提高检测性能，这种预编码设计是基于每个符号和相关的干扰信号，称为符号级预编码(Symbol-Level Precoding)，也称为有益干扰(Constructive Interference,CI)预编码。这种预编码方式被广泛用于多输入单输出的发送端预编码方案设计中，已经有相关研究将其应用于多输入单输出网络最小化均方误差问题、在全双工无线通信系统中利用多用户干扰构建多目标优化问题以及非线性功率放大器网络中减小多发射天线之间的不平衡问题等系统场景，可以很好地减少发送端的发送功率，提升网络的传输性能和服务质量，实现对资源的有效利用。考虑到无线能量传输技术可以有效应用到能量受限的网络场景中，因此在无线能量传输多输入单输出网络预编码方案设计中，可以引入有益干扰预编码设计，进一步提高用户的通信质量和能量效率，降低传输功率，节约资源。

目前，已有一些研究针对无线能量传输多输入单输出网络的有益干扰预编码设计方案进行分析讨论。Timotheou等人将有益干扰预编码与无线携能通信多输入单输出网络结合起来，在满足网络通信质量以及能量捕获要求的条件下，有效减少了发送端的发送功率；Khandaker等人主要分析了无线携能通信有益干扰预编码设计中，有窃听节点的系统安全性能。Masouro等人将有益干扰预编码应用到多用户认知无线网络Z信道中，对次用户基站进行有益干扰预编码设计，有效提高了次用户的信干噪比。根据以上调研，将无线携能通信有益干扰预编码设计应用在认知多用户网络中，在频谱效率、能量效率以及发送功率优化等方面都有明显优势，可以有效节约资源。