[发明专利]用于毫米波MIMO数字能量协同传输系统的多域资源分配方法

说明书

本发明公开了一种用于毫米波MIMO数字能量协同传输系统的多域资源分配方法。目的是优化混合波束形成、混合接收合并以最大限度地提高信息用户的下行链路公平性频谱效率，同时满足能量用户的能量需求和信息用户检测性能。在该系统中，发射机，信息用户接收机和能量用户接收机均配备多天线。能量用户采用非线性接收函数。本发明实际考虑毫米波系统发射机和接收机的硬件实现，最终不仅能为能量用户提供能量，信息用户有良好的检测性能，还达到了优化系统公平性频谱效率的目的。

技术领域

本发明属于数能一体化通信网络技术领域，具体涉及一种用于毫米波MIMO数字能量协同传输系统的多域资源分配方法。

背景技术

随着5G时代的到来，大规模物联网产生，其发展迅速，应用领域又涉及方方面面，有效推动了如工业、农业、安保等基础设施领域的发展，使得有限的资源被更加合理分配。人们的日常生活已离不开互联网，未来物联网在各种应用的广泛进步必然使网络设备的能耗成倍增加，信息流量预计在未来十年内继续呈指数增长。数百亿个物联网设备工作需要大量能量，电池电量的迅速消耗在很大程度上限制了物联网设备的性能。此外，大量电池的使用和替换不可避免地招致材料浪费、高昂维护费、环境污染等多重问题。

为了弥补物联网设备的能源短缺问题，在远场中，可以依靠射频信号将无线能量传输到这些设备。为了同时满足信息用户的信息下载请求和能量用户的充电请求，在同一个射频信号中协调无线信息传输和无线能量传输是一个关键技术。带有大型天线阵列的毫米波系统在无线信息和功率传输方面都有一系列优点。例如，毫米波MIMO系统提供的宽带宽足以满足信息用户的超高吞吐量。可以在发送机和接收机的配备大量不相关的天线，以实现有效的信号发送和接收。大型天线形成的定向波束能够克服传播过程中的能量损失。因此，毫米波MIMO是同时进行无线信息和功率传输(SWIPT)的有效方案。

发明内容

本发明的目的是实现基于毫米波MIMO多用户中多维资源调度的最优，在具体的实施方案中实际考虑毫米波MIMO带来的约束以及能量用户的非线性能量约束，同时提出联合混合波束形成、混合接收合并的收发设计方法，以提高系统的公平性频谱效率。

本发明的技术方案为：用于毫米波MIMO数字能量协同传输系统的多域资源分配方法，包括以下步骤：

S1、确定信道模型；

S2、确定收发系统模型；

S3、确定多天线非线性能量接收模型；

S4、根据能量用户的用能需求，混合波束成形实现约束，确定最终的优化问题；

S5、根据优化目标的表达式及其约束条件求解发射波束成形，各个信息用户的接受合并；

进一步地，步骤S5具体包括以下分步骤：

S51、对多天线非线性能量接收函数进行放缩，推导出其充分条件，通过柯西不等式将原本的非凸约束转化为凸约束；

S52、将原优化问题划分为两个子问题，第一个子问题是对发射机的混合波束成形进行设计，第二个子问题是对每个信息用户混合接收合并进行设计；

S53、分析第一个子问题，对第一个子问题进行求解；

S54、分析第二个子问题，通过逼近全数字最小均方误差准则对第二个子问题进行求解；

S55、对第一个子问题和第二个子问题进行反复迭代，最终联合解出混合波束成形和每个信息用户的混合接收合并，其初始的混合波束成形由A3得到，再由A4得到混合接收合并，通过反复迭代A3和A4来确定最终的混合波束成形和每个信息用户的接收合并。

本发明的有益效果是：