[发明专利]基于自干扰能量收集的全双工中继鲁棒波束成形设计方法

说明书

本发明公开了一种基于自干扰能量收集的全双工中继鲁棒波束成形设计方法，以最小化中继自身电池所需提供的功率为目标，对最大中继发射功率以及最低端到端信噪比进行约束，并考虑实际系统中的信道信息误差。优化过程为利用施密特正交化转换优化问题，然后利用KKT条件求解得到闭合形式的最优中继鲁棒波束成形。相较于不考虑信道信息误差的非鲁棒设计，本发明能有效降低电池所需提供的功率，并且计算复杂度较低，利于工程实现。

技术领域

本发明涉及中继通信系统，尤其是一种基于自干扰能量收集的全双工中继鲁棒波束成形设计。

背景技术

无线中继是第五代无线网络的支持技术之一，可以显著提高网络覆盖范围和系统吞吐量。半双工中继占用两个时隙以实现源节点和目的节点之间的一次传输，这限制了频谱效率。全双工通信是可以帮助实现吞吐量增益的技术，与半双工通信相比，它通过利用整个带宽进行数据传输，提供了更高的频谱效率。全双工同时收发，具有比半双工加倍的信息速率，但同时会带来一个新的不容忽略的问题，中继在发送信号时接收天线也在工作，因此中继的发射信号会被其本身的接收天线重新接收，形成自干扰。自干扰可以证明在射频(RF)域中是有益的，其中可以收集自干扰信号的能量，并且因此增加用于后续传输的节点的功率。

理想的无线信息和能量同时传输(SWIPT)接收机是能够解码信息并从同一信号中获取能量的，然而现在实际的电路无法实现。常用的接收机结构包括时间切换(TS)和功率划分(PS)。时间切换接收机由共同定位的信息解码(ID)和能量收集(EH)接收机组成，其中ID接收器是传统的信息解码器。在这种情况下，发射机将传输块分成两个正交时隙，一个用于传输功率，另一个用于传输数据。在每个时隙，发射机可以优化其发射波形，以进行能量或信息传输。因此，接收器在收集能量和解码信息的两个时隙之间周期切换操作，不同的速率-能量(R-E)权衡可以通过改变能量传输的时隙长度实现。功率划分接收机的EH和ID接收机组件与TS相同。但是，PS接收器将接收信号分成两个流，其中一个占总功率ρ(0ρ1)，用于EH，剩下的用于ID。通过调整ρ的值来实现不同的R-E权衡。中继采用功率划分接收机结构时如何设计波束成形是本发明的主要研究课题。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种基于自干扰能量收集的全双工中继鲁棒波束成形设计方法，以最小化中继自身电池所需提供的功率为目标，并对最大中继发射功率以及最低端到端信噪比进行约束，并考虑实际系统中的信道信息误差。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于自干扰能量收集的全双工中继鲁棒波束成形设计方法具体包括以下步骤：

(1)构建以最小化中继自身电池所需提供的功率为目标的优化问题，所述中继自身电池所需提供的功率为中继发射功率与中继收集能量的差值，优化问题的约束条件包括中继发射功率不超过中继发射功率上限，以及端到端信噪比不低于信噪比下限；

(2)利用施密特正交化转换问题形式；

(3)利用KKT条件求解最优正交化系数的模值；

(4)得出最优中继鲁棒波束成形。

作为优选，步骤(1)中构建的优化问题如下：

优化目标：最小化P_b＝P_R-P_EH

约束条件：P_R≤P_max

γ≥γ₀