[发明专利]无线能量传输的大规模MIMO系统基于max-min公平的资源分配方法

说明书

本发明请求保护一种无线能量传输的大规模MIMO系统基于max‑min公平的资源分配方法，该方法在考虑能量塔最大发送功率和充电时间约束下，通过控制能量塔向各个用户的传输功率和充电时间，实现系统用户最小速率最大化。本发明建立了无线能量传输的大规模MIMO系统基于max‑min公平的资源分配模型，给出了能量塔对每个用户功率分配的闭式解，将原非凸优化问题通过变量替换转化为凸优化问题，通过凸优化问题的最优性方程求解获得最佳的能量充电时间，最后获得系统系统用户速率最小值。该方法具有低复杂度，并且提高了用户的公平性和系统的能量效率，具有可行性强和实用性的优点。

技术领域

本发明属于大规模MIMO系统中的资源分配领域，具体地，无线能量传输的大规模MIMO系统中在基于max-min公平性下联合功率和时间的资源分配方法。

背景技术

近年来，随着移动通信行业发展迅速，移动用户数量急剧增加，资源严重匮乏，因此无线能量传输受到了越来越多的关注,无线能量传输技术不仅能应用于生物医学、海洋勘测、无线传感网络等多个方面，很大程度上为人类带来便利。多输入多输出(MIMO)技术能够通过多天线发送与接收，充分利用空间资源提高信道容量和系统的稳定性，因此被认为下一代多用户宽带无线通信系统中的关键技术之一。Y.Hu等人在《Wireless Networks,vol.20,no.8,pp.1421 –1430,Aug.2014》发表了文章“Energy-efficiency resourceallocation of very large multi-user mimo systems”，该文章中针对上行多用户MIMO系统，提出了基于能效(EE)优化的资源分配算法，所提方法采用迫零(ZF)接收，以最大化系统能效为准则，通过联合调整基站端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的影响。M.Cui等人在《IEEE Access，vol.5，pp.1164-1177，Jan.2017》发表了文章“Energy-efficient power control algorithmin massive MIMO cognitiveradio networks”，该文章针对上行多小区系统，提出了基于能效优化的问题，通过迭代算法采用基于梯度的自适应方法实现最优功率策略。它的主要工作是采用最公平的准则，并使能效最大化，采用联合导频功率和数据功率分配的方法对最坏情况的认知用户(CU)进行优化，但是系统的功率消耗没有考虑电路功率消耗。

X.Wan,等人在2018年国际会议International Conference on WirelessCommunications and Signal Processing(WCSP)发表了“Energy-Efficient ResourceAllocation for Wireless Power Transfer Enabled Massive MIMO Systems withHardware Impairments”，该文章在多传感器节点场景中研究了多天线能量塔和多天线基站之间的能量采集，提出了基于能效优化的资源分配方法。假设基站和能量塔之间拥有已知的信道状态信息，采用迫零(ZF)的方法接收，但是没有考虑用户之间速率的公平性。

目前大多学者中研究大规模MIMO时未考虑用户公平性的，并且很少考虑大规模MIMO系统结合无线能量传输，但是实际系统中传感器节点的速率公平性对是很重要的，只有公平性的对用户进行速率分配，才能够有效的提高整个网络中传感节点的生存时间。基于以上分析，本发明考虑了多天线能量塔和多天线基站，在一个上行多用户无线通信系统中，部署多个传感器节点模型，假设系统通信拥有完美的信道状态新，考虑在能量塔发射功率和充电时间约束条件下，提出了基于max-min准则来对时间和功率分配进行优化，从而最大化无线能量传输的大规模MIMO系统中最小的用户的速率。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高了系统的能量效率以及最小用户速率的无线传输的大规模MIMO系统的基于max-min公平性的资源分配方法。本发明的技术方案如下：