无线携能通信系统中基于能量获取比例公平的波束成形设计.pdfVIP

物理 学报 Acta Phys. Sin. Vol. 64, No. 2 (2015) 028402 无线携能通信系统中基于能量获取比例公平的 波束成形设计∗ 张海洋 黄永明 杨绿溪 (东南大学信息科学与工程学院, 南京 210096) ( 2014 年8 月21 日收到; 2014 年9 月3 日收到修改稿) 针对无线携能通信系统中存在能量获取不均衡的问题, 提出了一种基于能量获取比例公平的波束成形设 计方案. 该方案在满足信息接收者的信干噪比以及发送端的最大发送功率等约束条件的基础上, 通过优化波 束矢量实现能量获取的比例公平. 此设计在数学上是一个很难直接求解的非凸优化问题. 为此, 本文首先利用 半定松弛技术将其转换为半定规划问题, 然后结合二分法提出了可以获得最优波束矢量的迭代算法. 此外, 在 发送端仅知道部分信道状态信息且知道信道误差范围的情况下, 采用最差性能最优的方法对原优化问题进行 了鲁棒波束成形设计, 并提出了相应的迭代算法. 仿真结果表明所提算法均可实现能量获取的比例公平且性 能达到全局最优. 关键词: 无线携能通信, 波束成形, 能量获取, 半定松弛 PACS: 84.40.Ua, 87.50.Jk DOI: 10.7498/aps.64.028402 高斯白噪声信道中信息与能量并行传输的折中问 1 引 言 题. 随后, Grover 和 Sahai 将Varshney 的研究结果 [6] 推广到频率选择性信道 . 近年来, 多天线无线携 近年来随着高速无线通信技术的快速发展, 无 能通信系统可以通过挖掘空间维度来增强信息传 线通信网络中的设备对能源的消耗变得越来越大. 输速率和提高能量传输效率, 引起了广大学者的广 然而, 其中的许多设备(例如智能终端、传感器) 是 泛关注[7−11] . 文献[7] 研究了三节点多输入多输出 由储能有限的电池供电, 这在一定程度上制约了网 (multiple-input multiple-output, MIMO)无线携能 络的生存时间[1−4] . 最近几年才发展起来的以自由 通信系统的性能极限, 研究的系统模型包括一个发 空间中的射频(radio-frequency, RF)信号为能量源 送端, 一个信息接收者(information receivers, IR) 的能量收集技术被视为解决或者延长网络生存时 和一个能量接收者(energy receiver, ER). 文献[8] 间的一种有效方法. 另外, RF 信号也被广泛应用于 将文献[7] 的研究结果进一步推广到发送端仅知道 无线通信领域用来承载信息的无线传输. 因而, RF 部分信道状态信息的情况. 文献[9] 中, 作者研究 信号这种既可以承载信息又能承载能量的物理特 了两用户MIMO 干扰信道下无线携能通信的最优 性催生了一门新兴的支持无线信息与能量并行传 传输策略, 证明出最优的传输策略取决于接收者 输的技术——无线携能通信(simultaneous wireless 的模式选择. 然而, 文献[7—9] 的研究工作都局限 information and power transfer, SWIPT). 于接收端只包含一个信息接收者和一个能量接收