[发明专利]一种基于射频信号供能的多中继无线数据传输控制方法

权利要求书

1.一种基于射频信号供能的多中继无线数据传输控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立系统模型；

所述系统模型由一个多天线的可以同时发射信号和能量的混合发射机，多个单天线的能够接受信息和能量的中继以及一个单天线的接收机组成；

2)根据系统模型，以PS协议和TS协议来构建数学模型；

3)优化问题解决方案；

步骤1)建立的系统模型中：

在第一跳中，多天线发射机波束以固定的发射功率p_t和波束成型向量w₁形成波束成形信息；波束成形信息由中继和接收机直接接收，在第二跳中，中继放大并将接收的信号转发到接收机；

步骤1)建立的系统模型中：

在第二跳中的中继传输期间，发射机利用新的波束成形向量w₂将相同的信息直接传输到接收机，接收机处的接收信号将是由中继器转发的信号和来自发射机的直接波束成形信号的混合；

步骤2构建的数学模型中：

PS协议为：整个时隙被分成两个子时隙，发射机在第一个子时隙中的波束成形策略w₁用于同时进行功率和信息传输，其由PS比率ρ控制，PS方案中的各个中继可以设置不同的PS比率，以最好地匹配发射机的波束成型策略和各个中继的能量需求；

设s表示具有单位功率的信息符号，在第一跳中从发射机传递到目标接收机，发射机发射的信号可以表示为则第一跳在接收机端的信噪比(SNR)为：

其中代表从发射机到接收机的直连信道f₀的赫尔米特转置，假设接收机的噪声功率归一化为1，通过改变波束成型向量w₁，发射机可以根据其信道条件和能量收集能力调整到不同中继的信息和能量传输；

给定发送信号x_s，中继-n处的射频(RF)信号由给出，其中f_n是从发射机到中继-n的信道矢量；对于PS协议中的每个中继-n，接收信号功率的一部分ρ_n被转换为功率，因此中继-n的发射功率p_n的上限界限如下：

其中η代表能量转换效率，另外1-ρ_n的信号功率被传递给信号检测器，因此在中继-n处接收到的信号表示为：

其中为了方便定义并且σ_n～CN(0，1)是零均值、单位方差的复高斯噪声，根据中继的能量需求和发射机的波束成型策略，各个中继可以调整PS比率以改善接收机端的信号质量；

在第二跳中，中继放大并将信息转发给接收机，接收到信号r_n的能量为1+|y_n|²，定义每个中继-n的功率放大系数为与此同时，发射机可以通过一个新的波束成形策略w₂直接传输信息给接收机，因此，接收机处的接收信号r_d是发射机的直接波束成型信号和中继的联合传输的混合信号，即：

其中前两项与每个中继-n的放大信号有关r_n，第三项代表着从发射机发出的直接传输，于是第二跳的SNR可以表示为：

当直接链路出现在两跳时，通过在接收机处使用最大比合并(MRC)，整体SNR由γ＝γ₁+γ₂给出；

优化问题形式为：

而此时的优化问题在不同的中继下是非线性耦合的无法直接求解，因此，可以把发射机看成一个虚拟中继，即视作中继-0，这样可以设置ρ₀＝0并且则可以重写为：

其中x和g是(N+1)×1维的向量，x₀g₀＝1，令M＝yy^H，即得到γ₂＝z^HMz/||z||²，则：

第一项是由瑞利熵的性质得到的，并且当z＝cy时成立，其中c是一些常量，意味着以下的等式约束：

于是，式(6)被凸等价为如下式子：

W₀≥0，W₁≥0，and n∈{1，2，…，N} (10e)，

其中：p_t为发射机发射功率，f₀为直连链路信道，f_n为发射机到中继-n的信道情况，W₀为中继充能时的发射机波束成形策略，W₁为第一跳时发射机的波束成形优化策略，很明显，w₂仅涉及直接链接；因此，最佳w₂可以与直连链路对齐，即定义了则SNR上边界为

功率约束(6b)，从等式(9a)得到并且中继-n的发射功率可以表示为其中是一个常数，此时能量约束(6b)可以被重写为：

相当于(10b)所示的线性矩阵不等式，通过引入辅助变量

定义矩阵变量，使得二次约束可以如(10c)中那样重写为线性形式；此外，定义然后另这可以放宽到线性矩阵不等式(10d)；

显然，(10d)中的约束在最佳状态下保持相等；

若找到W₁和最优PS比率为注意到我们通过其凸近似放宽等式若最优W₁被找到，如果W₁是秩为1的，则可以检索波束成型向量w₁，否则构造一个随机波束形成器w₁(t)，满足