[发明专利]无线携能通信场景下网络辅助全双工系统收发机设计方法

权利要求书

1.一种无线携能通信场景下网络辅助全双工系统收发机设计方法，其特征在于步骤如下：

无线携能通信全双工系统包括N对RAU，具体包括N_T个发射RAU和N_R个接收RAU，每个发射RAU具有天线数量M_T，接收RAU具有天线数量M_R，发射RAU与接收RAU之间通过具有相同上下行链路容量的前向回传链路与网络辅助全双工系统的CPU连接，远端天线单元RAU的区域内设有K个下行用户和L个上行用户，并在下行用户处进行能量采集，所有用户都配备一个天线，并且在N对远端天线单元RAU区域内均匀且独立分布，

其步骤如下：

首先，在网络辅助全双工系统的下行链路信噪比服务质量的需求、上行链路信噪比服务质量的需求、下行链路前传容量、上行链路前传容量、远端天线单元发射功率、上行用户发射功率和功率分流比的约束条件下，以总发射功率最小化为目标函数建立优化问题；然后使用基于块坐标下降法的算法来联合优化上下行波束成形矢量、上行用户发射功率、前向回传压缩比以及功率分流比，并通过连续凸逼近技术将该优化问题转化为易于求解的凸优化问题，最后求解网络辅助全双工系统的最小化总发射功率问题，该问题的解即为无线携能通信场景下网络辅助全双工系统的收发机设计参数值；

具体步骤如下：

S1首先求解满足下行链路信噪比服务质量需求约束、上行链路信噪比服务质量需求约束、能量采集目标约束、下行链路前传容量约束、上行链路前传容量约束、远端天线单元发射功率约束、上行用户发射功率约束、功率分流比约束的一组初始化参数值；

S2固定下行波束成形矢量、上行用户发射功率、前向回传压缩比以及功率分流比，用MMSE接收机的参数值更新上行波束成形矢量值；

S3利用连续凸逼近技术对非凸约束进行转化，将能量采集目标约束更新，将上行链路信噪比服务质量需求约束更新，将上行和下行链路前传容量约束更新：

S4固定上行波束成形矢量后，以更新后的能量采集目标约束、上行链路信噪比服务质量需求约束和上行和下行链路前传容量约束为约束条件，求解网络辅助全双工系统的总发射功率最小化问题，并用问题的解更新下行波束成形矢量、上行用户发射功率、前向回传压缩比以及功率分流比的值；

S5判断在更新下行波束成形矢量、上行用户发射功率、前向回传压缩比以及功率分流比后系统的总发射功率最小化目标函数值是否收敛，若不收敛则返回步骤S3继续更新约束；若收敛则执行步骤S6；

S6计算当前总发射功率最小化目标函数值相对上一次执行S6时计算得到的目标函数值的改变量，若改变量小于一个阈值，结束算法，否则，返回步骤S2；

网络辅助全双工系统的发射功率最小化目标函数为：

式中为第n_T个发射RAU，下称发射RAU n_T，对第k个下行用户的波束成形矢量，第k个下行用户又称下行用户k，为第n_R个接收RAU，下称接收RAU n_R，对第l个上行用户的波束成形矢量，第l个上行用户下称上行用户l，ρ_k为功率分流比，p_l为上行用户发射功率，分别为下行和上行链路压缩噪声功率，为第n_R个接收RAU的发射功率；为大小为m×n的复数矩阵空间，a^T表示向量a的转置，||·||表示复向量的欧氏范数；

网络辅助全双工系统的最小总发射功率的约束条件包括：

①下行链路信噪比服务质量需求约束：

式中，为发射RAU n_T与用户k之间的信道，为上行用户l和下行用户k之间的信道，σ²为白高斯噪声，为基带转换中相位偏移和非线性引起的附加电路噪声，为下行链路信噪比服务质量需求；表示复数空间，a^H表示向量a的共轭转置，∣·∣表示复标量的绝对值；

②上行链路信噪比服务质量需求约束：

式中，为上行用户l和接收RAU n_R之间的信道，为下行链路对上行链路的干扰经过消除后的剩余误差，为上行链路信噪比服务质量需求；

③能量采集目标约束：

式中，ξ_k∈(0,1]为能量转化效率，ψ_k为能量采集目标；

④下行链路前传容量约束：

式中，B为带宽，为M_T×M_T的单位矩阵，为下行链路前传容量；det(A)表示矩阵A的行列式；

⑤上行链路前传容量约束：

式中，为M_R×M_R的单位矩阵，为上行链路前传容量；

⑥RAU发射功率约束：

式中，为发射RAU n_T的最大发射功率；

⑦上行用户发射功率约束：

式中，P_l^user为上行用户l的最大发射功率；

⑧功率分流比约束：

利用块坐标下降法分两步迭代求解网络辅助全双工系统的最小总发射功率步骤为：

第一步：固定的集合最大化上行链路信噪比，即求解下述问题：

该问题的解为最小均方误差MMSE接收机的参数值，即：

式中，表示由s_i,i＝1,…,N_R组成的块对角矩阵，A^-1表示矩阵A的逆；

第二步：固定上行波束成形矢量{ν_l}后求解以下模型：

s.t.(2)-(9), (14)

利用连续凸逼近技术对非凸约束进行转化：

①为了便于将非凸问题转化为凸优化问题，首先引入辅助变量{α_k,β_k}，并作代换

②引入辅助变量分别作为的上界，将公式(2)改为：

引入辅助变量{b_k}作为的上界，将公式(15)改为：

根据一阶泰勒展开，将公式(16)改为

式中，和是第t次迭代的可行解；

③引入辅助变量{a_k}作为的上界，并根据一阶泰勒展开，将公式(4)改为

式中，

表示x的实部；

④引入变量并做代换将公式(3)转化为二阶锥凸约束：

式中，

⑤根据一阶泰勒展开，将公式(5)和公式(6)分别改为：

式中，

Tr(A)表示矩阵A的迹；

根据以上过程，将利用块坐标下降法分两步迭代求解网络辅助全双工系统的最小总发射功率步骤中的第二步中需要求解的问题转化为下面的表达式：

利用MATLAB凸优化工具箱CVX可求解式(37)。