[发明专利]一种针对硬件损伤的Massive MIMO信能同传系统优化方法

说明书

本发明公开了一种针对硬件损伤的Massive MIMO信能同传系统优化方法，建立Massive MIMO下行链路信能同传系统模型，然后分别讨论基站发射机处的硬件损伤、用户的信息接收机处的硬件损伤、用户的能量接收机处的硬件损伤；根据基站、信息接收机、能量接收机处的硬件损伤模型，保证基站发送总功率约束和用户能量接收机处收集能量大于门限，表述用户的最大最小可达速率优化问题；引入辅助变量，以及非线性能量收集函数为单调增函数，将问题P1转化为问题P2；将用户的能量收集约束、基站的总功率约束、信息用户的可达速率约束表述为发送信号方差和伪方差的函数；求解用户的最大最小可达速率，采用迭代优化算法实现系统优化。本发明利用不对称高斯信号提供的额外自由度。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种针对硬件损伤的Massive MIMO信能同传系统优化方法。

背景技术

在同时无线信息能量传输系统(SWIPT)中，基于射频的无线能量传输效率低。为了提升SWIPT系统的频谱效率和能量传输效率，采用大规模多输入多输出(Massive MIMO)技术，这一特点显著提升了空间自由度，有利于消除用户间干扰,小区中的用户可以在同一时频资源上与基站进行通信(SDMA)。就能量传输而言，基站通过能量波束形成，将能量聚集在很小的区域内，有利于提升系统的能量传输效率。Massive MIMO技术的采用，基站需要部署大量的天线。为了降低基站的部署成本，不得不采用低成本的硬件，硬件损伤一定存在。

就信息传输而言，硬件损伤包括相移器和本地振荡器的失配带来的幅度误差和相位误差(I/Q不平衡)，数模转换、带通滤波器、高功率放大器的非线性带来的加性失真噪声。这导致我们想要的和实际发送信号之间的失配，降低了用户的可达速率。在现有的研究中，将收发机处由于硬件损伤导致的加性噪声建模为循环对称复高斯噪声，且收发机处的失真噪声功率与收发机天线处的信号功率成正比。然而，这一模型并不能准确的建模由于收发机硬件损伤(I/Q不平衡)导致的不对称特性。

同时，就能量传输而言，硬件损伤为能量收集电路中整流器的非线性工作特性，而现有的文章大部分采用线性能量收集模型，并不能准确的建模实际的能量收集过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种针对硬件损伤的Massive MIMO信能同传系统优化方法，利用不对称高斯信号提供的额外自由度，即伪方差提升信息用户的可达速率，能量用户的能量传输效率。

本发明采用以下技术方案：

一种针对硬件损伤的Massive MIMO信能同传系统优化方法，包括以下步骤：

S1、建立Massive MIMO下行链路信能同传系统模型，然后分别讨论基站发射机处的硬件损伤、用户的信息接收机处的硬件损伤、用户的能量接收机处的硬件损伤；

S2、根据基站、信息接收机、能量接收机处的硬件损伤模型，保证基站发送总功率约束和用户能量接收机处收集能量大于设定门限，表述用户的最大最小可达速率优化问题；

S3、引入辅助变量γ，以及非线性能量收集函数为单调增函数，将问题P1转化为问题P2；将用户的能量收集约束、基站的总功率约束、信息用户的可达速率约束表述为发送信号方差和伪方差的函数；求解用户的最大最小可达速率，采用迭代优化算法实现系统优化。

具体的，步骤S1具体为：

S101、建立Massive MIMO下行链路信能同传系统模型，基站的天线数为M，单天线用户的数目为N且M＞N，假设完美的信道状态信息，第k个用户天线处的接收信号y_k为：