基于MIMO的無線攜能通信系統(tǒng)優(yōu)化問題的基礎(chǔ)知識(shí)和研究方向

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系統(tǒng)模型

首先考慮這個(gè)通用的多用戶多中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，隨后再細(xì)化成不同的具體網(wǎng)絡(luò)。關(guān)于MIMO系統(tǒng)的基本原理技術(shù)等等在這里不做說明。假設(shè)有N個(gè)源信號(hào)節(jié)點(diǎn)S,通過K個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)向N個(gè)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。并假設(shè)源節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)均有多根天線。

**（1）**當(dāng)我們把目的節(jié)點(diǎn)看成一個(gè)整體或者連接起來，這個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于是一個(gè)帶中繼和目的節(jié)點(diǎn)的下行鏈路。
**（2）**同理，當(dāng)把所有目的節(jié)點(diǎn)看作一個(gè)整體，我們可以得到一條上行鏈路。
**（3）**把其中一個(gè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)看作相同的物理節(jié)點(diǎn)，就可以得到一個(gè)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)。比如，源節(jié)點(diǎn)1和目的節(jié)點(diǎn)1看作一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)2和目的節(jié)點(diǎn)2看作一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)，源1向目的節(jié)點(diǎn)2發(fā)送信息，源2向目的節(jié)點(diǎn)1發(fā)送信息。

無線攜能通信系統(tǒng)SWIPT

在實(shí)際生活中，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的電量是有限的。無線攜能通信指在與無線設(shè)備進(jìn)行信息交互的同時(shí)，為無線設(shè)備提供能量。無線設(shè)備將這部分能量儲(chǔ)存在自身電池中供自己使用。
如圖是一個(gè)具有無線攜能通信功能的節(jié)點(diǎn)，它使用的是power splitting模式。節(jié)點(diǎn)吸收功率按照一定的ps率分成兩部分，一部分用于接收信息的解碼，一部分用于能量吸收。另一種常見的模式是time splitting模式，節(jié)點(diǎn)設(shè)備把工作時(shí)間分為兩個(gè)時(shí)隙，一段時(shí)間內(nèi)只進(jìn)行信息解碼，在另一段時(shí)間只進(jìn)行能量吸收。通常我們只研究power splitting模式，因?yàn)閠ime splitting模式也是power splitting模式中的一種特殊情況。

在理論研究中，有三種情況：
（1）假設(shè)源節(jié)點(diǎn)具備swipt功能，例如傳感器網(wǎng)絡(luò)，那么源節(jié)點(diǎn)從中繼吸收能量；
（2）假設(shè)中繼具有swipt功能，中繼可以從源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)兩方吸收能量；
（3）假設(shè)目的節(jié)點(diǎn)具有swipt功能，例如IoT網(wǎng)絡(luò)，目的節(jié)點(diǎn)同樣也是從中繼處吸收能量。

中繼工作模式和中繼選擇

中繼的工作方式一般分為兩種：放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF)模式。在協(xié)作通信系統(tǒng)中，信息傳播主要分兩步：首先源節(jié)點(diǎn)傳遞信息給中繼節(jié)點(diǎn)，然后中繼節(jié)點(diǎn)通過放大轉(zhuǎn)發(fā)或者解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式傳送到目的節(jié)點(diǎn)。AF和DF兩種方式的區(qū)別就在于中繼節(jié)點(diǎn)處理信息的方式不同。在AF模式中，中繼直接將接收信號(hào)放大，然后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。這實(shí)際上是一種模擬信號(hào)的處理過程。在DF模式中，中繼節(jié)點(diǎn)要對(duì)接收信號(hào)先解碼再重新編碼轉(zhuǎn)發(fā)，這實(shí)際上是數(shù)字信號(hào)處理過程。可以看出AF比DF模式更簡單，但是在AF過程中，噪聲也被放大了。DF過程中也會(huì)遇到解碼錯(cuò)誤。 然后將使用合適的波束形成器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制并發(fā)送到目的地。 這些信號(hào)也將同時(shí)被信號(hào)源捕獲，以收集能量。 無論如何，為了實(shí)現(xiàn)某些所需的性能，我們將在中繼站和目的地有一組接收到的SINR要求。 還有一系列的能量吸收約束。 傳輸功率約束也可以施加在中繼節(jié)點(diǎn)上。
目前的大多數(shù)研究是基于半雙工（Half-Duplex）通信方式，即信號(hào)的接收和發(fā)送是相互獨(dú)立的。中繼利用兩個(gè)正交的時(shí)隙或者正交的信道頻率分別進(jìn)行信息接收和轉(zhuǎn)發(fā)，互不干擾。這樣雖然避免了自干擾，但是頻帶利用率大大下降。同頻同時(shí)全雙工（Full-Duplex）可以讓信號(hào)的接收和發(fā)送同時(shí)同頻進(jìn)行，但是這樣會(huì)導(dǎo)致中繼節(jié)點(diǎn)的自干擾(Self-Interference,SI)。多中繼系統(tǒng)中，還會(huì)導(dǎo)致同頻干擾（Co-Channel Interference,CCI)。
在多中繼全雙工系統(tǒng)中，要先進(jìn)行中繼選擇再考慮系統(tǒng)的性能優(yōu)化。關(guān)于中繼選擇這里不再贅述。

優(yōu)化問題

設(shè)置好SINR要求和能量吸收要求，我們可以把優(yōu)化問題整理成以下幾個(gè)方向：
（1）可行性
給定SINR和收集能量需求，傳輸功率約束以及信道條件，我們將嘗試確定是否可持續(xù)傳輸。我們將進(jìn)一步研究該系統(tǒng)可行性的必要和/或充分條件。
在某些情況下，可以簡化可行性問題。例如，如果中繼器上沒有功率約束，并且如果信道矩陣來自隨機(jī)連續(xù)分布，則可以使用來自中繼器的足夠傳輸功率來滿足所收集的能量需求。其余要求將是SINR要求。
（2）優(yōu)化
通過考慮以下因素，我們將進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能：
-源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射波束成形器
-信號(hào)源的發(fā)射功率
-AF中繼器的中繼處理矩陣，或DF中繼器的發(fā)射和接收波束形成器
-傳輸功率和中繼的位置
-目的節(jié)點(diǎn)的接收波束成形器
發(fā)射波束成形器和源處的發(fā)射功率肯定會(huì)影響中繼站的接收，而接收波束成形器肯定會(huì)影響目的地的接收。在此SWIPT中繼網(wǎng)絡(luò)中，中繼的接收和傳輸會(huì)影響源和目標(biāo)的操作。例如，中繼傳輸需要滿足在源處收集的能量需求和在目的地處的SINR需求。理想情況下，所有提到的項(xiàng)目都應(yīng)一起優(yōu)化。由此產(chǎn)生的優(yōu)化問題可能非常具有挑戰(zhàn)性。一種次優(yōu)的方法是迭代地優(yōu)化每個(gè)項(xiàng)目，同時(shí)確保系統(tǒng)的性能不斷提高。但是，這樣的方法仍具有挑戰(zhàn)性，特別是涉及所有用戶的中繼處理矩陣的優(yōu)化。
事實(shí)證明，可以將優(yōu)化問題表達(dá)為具有二次約束的二次程序。用凸逼近算法來獲得近似最優(yōu)解。
到目前為止，為說明起見，我們一直在考慮能源需要收集能量的情況。實(shí)際上，我們可以制定一個(gè)更通用的設(shè)置，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)（源，中繼或目的地）可能具有收集的能量需求，可能具有傳輸?shù)墓β氏拗?#xff08;對(duì)于源或中繼），并且可能具有SINR要求（對(duì)于中繼站或目的地）。然后，我們可以涵蓋更普遍的情況，即需要混合使用源，中繼站和/或目的地來收集能量。在這種更一般的情況下，可以研究可行性和優(yōu)化問題。

全雙工SWIPT系統(tǒng)

我的研究方向是全雙工系統(tǒng)，先記錄一些基礎(chǔ)知識(shí)：

這是一個(gè)單源節(jié)點(diǎn)，單中繼，單目的節(jié)點(diǎn)的多天線全雙工SWIPT系統(tǒng)。在時(shí)刻m,中繼節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)：

H表示兩節(jié)點(diǎn)之間的信道矩陣，F表示信號(hào)處理矩陣，下標(biāo)表示從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。第一項(xiàng)為中繼節(jié)點(diǎn)接收到的來自源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，第二項(xiàng)為中繼的自干擾信號(hào)，一般我們不考慮它，因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)可以把它消除。第三項(xiàng)為中繼節(jié)點(diǎn)處的高斯白噪聲信號(hào)。
經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)的處理，在目的節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)為：

這個(gè)系統(tǒng)比較簡單，我們考慮多中繼系統(tǒng)：

同樣，寫出中繼處的接收信號(hào)：

這里第一項(xiàng)，第三項(xiàng)和第四項(xiàng)都同上。要注意的是第二項(xiàng)，這是來自其他中繼和目的節(jié)點(diǎn)的同頻干擾信號(hào)。在目的節(jié)點(diǎn)處，同樣也要加上這一項(xiàng)：

這是系統(tǒng)的基本表達(dá)式，不管是發(fā)射功率，能量效率，還是信噪比，所有的優(yōu)化問題都要從這兩個(gè)表達(dá)式開始。
這一篇主要是概述，寫得亂七八糟的，也沒有涉及具體的優(yōu)化算法，主要是想記錄一下我的學(xué)習(xí)過程。研究主要偏理論哈，以后會(huì)慢慢更新關(guān)于全雙工SWIPT系統(tǒng)的研究進(jìn)展！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的基于MIMO的无线携能通信系统优化问题的基础知识和研究方向的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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