[发明专利]一种基于能量采集的大规模MIMO系统能效优化方法

说明书

本发明请求保护一种基于能量采集的大规模MIMO系统能效优化方法，包括：初始化最大迭代次数和最大容差因子，能效初值，能量塔发射功率值，迭代次数；根据迭代次数判断是否满足最大迭代次数，如果条件满足，求出传感器能量采集时间；否则，直接带入求能效；针对求出的传感器能量采集时间，判断是否满足传感器能效采集时间的限制，如果满足条件，求出能量塔的发射功率；否则，直接带入求能效；针对求出的能量塔发射功率判断其是否满足能量塔发射功率的限制条件，如果满足条件，带入目标函数求解；最后，判断目标函数是否在最大容差范围内，如果是，求出最优能效且更新迭代次数；否则求出能效值。本发明具有搜索速度快、实用性和可行性强的优点。

技术领域

本发明属于MIMO技术领域，具体是基于能量采集的大规模MIMO系统能效优化方法。

背景技术

近来年，随着人类社会的高速发展，资源严重匮乏，无线能量传输(WirelessPower Transfer,WPT)在无线研究领域吸引了极大的关注，不同于传统的有线能源，传感器节点从电磁辐射中采集能量，延长能量受限网络或设备的寿命。WPT可以运用到很多极端条件下，比如水下、沙漠以及体域网中。在医疗中，植入身体的装置可以通过WPT技术从外界采集能量，极其方便。在智能交通、飞行器、物联网应用的无线传感器节点中，WPT的运用延长了电池寿命。近来，将无线能量传输运用到蜂窝系统中，移动装置不再需要电源线和充电器，基于射频(Radio Frequency,RF)信号的无线能量传输在科学界引起了极大的关注。信息和能量可以通过RF信号的形式同时传送，并且可以灵活地增加发射功率来提高接收质量。

然而，为了实施WPT，有一些挑战需要解决。与传统的无线信息传输相比，无线能量传输与其有一些相似性和差异性。首先，两者的性能都会受到信道衰落和路径损耗而损失。其次，无线信息传输的接受功率电平不适用于能量传输，并且，能量的采集比信息解码更加灵敏,能量传输距离比无线信息传输距离更短。近来，在传统的无线信息传输中，基站端配置几百根天线的大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术能够提高衰落信道的性能。多天线技术使用空间波束成形，使发射信号适应信道状态，利用信道衰落来提高性能。同样地，在无线能量传输中，可以运用多天线技术将RF信号与功率接收器对准，从而提高能量效率^]。多天线技术成为领先的5G无线通信技术，可以同时支持多个信息流和能量传输，提供比当前更好的数据速率和能量效率,可以显著提高WPT的性能。

在无线能量采集场景中，部署基站、传感器以及对传感器进行充电的能量塔。这些传感器在没有任何内部电源的情况下，遵循先采集后传输的方案与基站进行通信。在实践中，传感器网络和能量塔可以通过不同的权限部署。因此，需要一个提高整个系统能量效率的计划来保证能量塔、传感器和基站三者之间的能源交易与通信。

Sarma S等人在《Robust Energy Harvesting Based on a Stackelberg Game，mar.2016,pp.336-339》中对多传感器节点场景中研究了基站和多天线能量塔之间的无线能量采集，设计了一个Stackelberg博弈，这种多天线系统通过采用波束成形来提高系统传输的效率。假设传感器节点和能量塔之间拥有不完全信道状态信息(Channel StatusInformation,CSI)，提出了基站基于最低系统吞吐量的资源分配方法效用函数，但是没有考虑整个系统的能效问题。

Hu Y等人在《Energy-efficient resource allocation of very large multi-user MIMO systems，jun.2014,pp.1421-1430》中针对上行多用户MIMO系统，提出了基于能效优化的资源分配方法。所提方法采用迫零(Zero Forcing，ZF)接收，以最大化系统能效为准则，通过联合调整基站端的发射天线数和用户的数据速率来优化能效函数，可是忽略了大尺度衰落对系统能效的影响。