[发明专利]一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法

说明书

为了解决SWIPT系统中信息传输速率以及能量收集速率较慢的问题，本发明提供一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法，属于无线携能通信领域。包括如下步骤：步骤一：发送端同时发送相互独立的信息波束形成向量和能量波速形成向量；步骤二：接收端进行信息接收和能量收集，包括信息接收时隙和能量接收时隙：在信息接收时隙，利用信息波束形成向量对信息资源进行特定用户的对准，实现信息的无误传输；在能量接收时隙，利用能量波束形成向量对能量资源进行特定用户的对准，将用户间干扰做为能量收集的来源。本发明实现了信息传递和能量传递的独立控制，增加能量收集端接收到的能量，同时合理地利用用户间的干扰，以得到更优的R‑E曲线。

技术领域

本发明属于无线携能通信领域，具体涉及一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法。

背景技术

随着科学策略的发展，人们一直致力于寻找一种新的能源，而不是一味的依赖于风能、太阳能等自然资源。在实际应用系统中，对于一些小型的装置，比如传感器节点、智能手机、人工智能心脏等，很难设计能量收集电路来利用太阳能和风能对其进行充电，以保持长久稳定工作。为了克服这一实际问题，人们开始探求新的能量来源，即射频(RadioFrequency，RF)信号。在传统意义上的无线通信系统中，射频信号扮演的角色是传输信息，但现在看来，射频信号不仅能够携带信息，也能够携带能量。因此，接收端可以把射频信号当作能量收集起来，作为接收端的能量来源，以延长通信网络的寿命。这样一来，接收端不仅可以解调信息，也可以通过接收电路的设计同时收集能量。

SWIPT(无线携能通信系统，Simultaneous Wireless Information and PowerTransfer)的概念是由L.R.Varshney于2008年首次提出的，他指出SWIPT策略不仅响应了绿色通信的号召，而且能够延长能量受限无线通信网络的使用寿命，接着他还基于SISO(Simple Input Simple Output，单输入单输出)平坦衰落信道研究了SWIPT系统中信息传输速率与能量传输速率的折中问题，即通常所说的R-E曲线，该曲线可以清晰地表达SWIPT系统中信息与能量两种资源的利用情况，若信息资源的利用率提升，则体现在信息速率增大，若能量资源的利用率提升，则体现在电能收集量增加。另外，由于自由空间的功率耗散以及能量转换电路的转换效率较低，导致能量收集效率不高，而能量收集端的存在又影响着通信系统的信息传输速率。因此，国内外通信学者针对电能收集量不足以及R-E曲线如何做到最优折中的问题进行了广泛的关注和研究。

波束形成(Beamforming，BF)策略对优化R-E起到了积极的作用，该策略可增大天线阵列方向输出的信号强度，减小干扰信号的强度，从而提高通信网络的可达信息速率。波束形成策略在SWIPT系统中的研究分为以下四个方面，分别为不同信道下的波束形成策略研究、不同接收机策略下的波束形成策略研究、不同优化目标下的波束形成策略研究以及信息接收机(Information Receiver，IR)和能量接收机(Energy Receiver，ER)不共端情况下的联合波束形成策略的研究。

但是上述对波束形成策略的研究较为单一，仅局限于系统模型、接收策略或者优化目标的简单变化。不能否认系统模型、接收策略或者优化目标的变化可以获得更优R-E曲线的事实，但是对波束形成策略的研究并没有结合SWIPT系统自身的特点提出一些创新点。比如说，SWIPT系统中存在信息和能量两种资源，而传统的无线通信系统只存在信息资源一种成分，而对于波束形成策略在SWIPT系统中的应用仍照搬自传统无线通信系统，未考虑到信息资源与能量资源的差异性。因此，采用传统的波束形成策略的R-E曲线也不能是最优的。

在传统的无线通信系统中，射频信号扮演的角色是传递信息，由于射频信号本身也可以携带能量，所以以射频信号作为介质的无线通信系统既可以进行信息传输，也可以进行电能传输，把具有此双重功能的通信系统叫做无线携能通信系统，即SWIPT系统。