基于大规模天线的信息与能量混合传输方法及装置
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于大规模天线的信息与能量混合传输方法及装置。
背景技术
目前，无线能量传输技术主要分为两类：一类是基于线圈耦合短距离能量传输，可以在波长范围内以70％的效率进行能量传输，但能量接收终端与能量发射端之间的距离受到较大的限制。另一类是基于射频的长距离能量传输，由于基于射频的无线能量传输与信息传输技术相近且效率更高，更重要的是可以消除无线通信网络最后的有线连接，使得移动通信网络成为真正的“无线”通信网络，解决用户无法及时充电的烦恼。
目前由于频率资源有限，能量传输和信息传输被期望采用同一频段完成。然而，当能量传输与信息传输工作在同一频段时，即能量传输符号与信息传输符号采用同一频段传输时，如何实现两者在同一频段的共存成为亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种基于大规模天线的信息与能量混合传输方法、及装置，用以解决现有技术中移动终端充电不便的问题。
本申请实施例采用下述技术方案：
一种基于大规模天线的信息与能量混合传输方法，包括：
接收信息请求用户发送的正交信息导频序列，及能量请求用户发送的共享能量导频序列；其中，所述信息导频序列与所述能量导频序列正交；
依据所述信息导频序列，生成针对所述信息请求用户的第一预编码向量；依据所述能量导频序列，生成针对所述能量请求用户的第二预编码向量；
依据所述第一预编码向量和所述第二预编码向量，生成发送信号并向所述信息请求用户和所述能量请求用户发送。
一种基于大规模天线的信息与能量混合传输装置，包括：
接收单元，用于接收信息请求用户发送的正交信息导频序列，及能量请求用户发送的共享能量导频序列；其中，所述信息导频序列与所述能量导频序列正交；
生成单元，用于依据所述信息导频序列，生成针对所述信息请求用户的第一预编码向量；依据所述能量导频序列，生成针对所述能量请求用户的第二预编码向量；
发送单元，用于依据所述第一预编码向量和所述第二预编码向量，生成发送信号并向所述信息请求用户和所述能量请求用户发送。
本申请实施例提供的上述至少一个方案可以达到下述技术效果：
通过将表示信息的基带信号与表示能量的常数信号混合传输，解决了现有技术中移动终端充电不便的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例一提供的基于大规模天线的信息与能量混合传输方法流程图；
图2为本申请实施例一提供的基于大规模天线的信息与能量混合传输方法的示意图；
图3为本申请实施例二提供的基于大规模天线的信息与能量混合传输装 置结构图；
图4为本申请实施例二提供的基于大规模天线的信息与能量混合传输装置的基站天线与用户之间的交互图；
图5为本申请基于大规模天线的信息与能量混合传输方法的能量请求用户共享导频方案与传统正交导频方案下的能量请求用户延长工作时间比较图；
图6为三种能量、信息混合共存传输的性能比较图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
图1为本申请实施例一提供的基于大规模天线的信息与能量混合传输方法流程图，图2所示为本申请实施例一提供的基于大规模天线的信息与能量混合传输方法示意图。主要是指在通信系统应用中，移动终端用户所使用的手机、平板等设备处于缺电、或缺电又无法及时寻找电源充电的状态下，通过向基站发送能量请求，再由基站向用户发送能量进行充电的过程。本方法是在基站端进行大规模天线组网的状态下，实现信息与能量混合传输的技术方法，具体包括以下步骤：
S101：接收信息请求用户发送的正交信息导频序列，及能量请求用户发送的共享能量导频序列。
所有能量请求用户共享一个能量导频序列，所述信息导频序列与所述能量导频序列正交。
如图4所示，假设当前基站利用空分复用同时同频服务KE个能量请求用户 和KI个信息请求用户，且所述基站的天线个数为M根时，所述第k个ψ(ψ∈{E,I})用户的导频序列为φψk＝[φψk1,φψk2,…,φψkκ]T，所述第k个ψ(ψ∈{E,I})用户是指第k个能量请求用户、或者第k个信息请求用户，E为能量请求用户标识，I为信息请求用户标识。
首先，所述基站接收到的上行信号为：
Y＝GQ1/2ΦT+N
其中，G为上行信道矩阵G=[gE1,···,gEKE;gI1,···,gIK1],[gE1,···,gEKE]]]>表示能量请求用户的上行信道矩阵，![]()
表示信息请求用户的上行信道矩阵，E表示能量请求用户区别于表示信息请求用户的I；Q为上行用户导频功率矩阵，![]()
表示能量请求用户的导频功率矩阵，![]()
表示信息请求用户的导频功率矩阵，![]()
表示实数符号，K表示能量请求用户与信息请求用户的总数；Φ为导频序列矩阵![]()
表示能量请求用户的导频序列矩阵，![]()
表示信息请求用户的导频序列矩阵，![]()
为复数符号，K表示能量请求用户和信息请求用户的总数，κ表示能量请求用户或信息请求用户所发送的导频序列的长度；![]()
是均值为0，方差为![]()
的噪声矩阵，κ表示能量请求用户或信息请求用户所发送导频序列的长度，M表示基站天线数量。
所述第k个ψ(ψ∈{E,I})用户的导频序列为φψk＝[φψk1,φψk2,…,φψkκ]T，若：
对于不同信息请求用户即ψ＝I，导频序列是相互正交的：
φIkHφIi=1,k=i;0,k≠i(k,i=1,2,...,KI)]]>
其中φI表示信息请求用户的导频序列，k、i表示不同序号的信息请求用户。
对于能量请求用户即ψ＝E，所有能量请求用户共享一个导频序列：
φEk＝φE,(k＝1,2,…,KE)
其中，所述φE表示能量请求用户的导频序列，k表示能量请求用户的序号。
所述能量请求用户占用的导频序列与信息请求用户占用的导频序列是相互正交的：
φEHφIk=0,(k=1,2,...,KI).]]>
S102：依据所述信息导频序列，生成针对所述信息请求用户的第一预编码向量；依据所述能量导频序列，生成针对所述能量请求用户的第二预编码向量。
本步骤是指基站接收到所述信息请求用户的信息导频序列与能量请求用户的的能量导频序列之后，依据所述信息导频序列、能量导频序列分别估计出所述信息请求用户的信道信息、及能量请求用户的信道信息，然后依据所述信道信息生成所述针对信息请求用户与能量请求用户的第一、第二预编码向量。
第k个信息请求用户的估计信道信息采用如下公式：
g^Ik=1qIkYφIk=gIk+1qIkn‾Ik,]]>
其中，向量![]()
是均值为0且方差为![]()
的独立同分布的等效噪声；qIk是第k个信息请求用户的上行导频功率。
估计所有能量请求用户的信道信息采用如下公式：
g^E=YφE=Σk=1KEqEkgEk+n‾E,]]>
其中，向量![]()
是均值为0且方差为![]()
的等效噪声，并与所述信息请求用户的噪声向量![]()
相互独立；qEk是第k个能量请求用户的上行导频功率。
则，依据所述第k个信息请求用户的估计信道信息生成第k个信息请求用户的第一预编码向量为：
wIk=g^Ik*||g^Ik*||;]]>
依据所述能量请求用户的估计信道信息生成第所有能量请求用户的第二预编码向量为：
wE=g^E*||g^E*||=Σk=1KEqEkgEk*||g^E*||+n‾E*||g^E*||;]]>
其中，＊表示共轭操作，|| ||表示向量2范数。
第k个ψ(ψ∈{E,I})用户到所述M根基站天线的真实信道信息为：
gψk=θψk1/2hψk(k=1,2,...,Kψ)]]>
其中，θψk是大尺度衰落因子，![]()
是小尺度衰落向量，![]()
的每个元素服从均值为0及方差为1的复高斯分布，Kψ表示第k个ψ(ψ∈{E,I})用户；
S103：依据所述第一预编码向量和所述第二预编码向量，生成发送信号并向所述信息请求用户和所述能量请求用户发送。
所述发送信号混合包括：依据所述第一预编码向量生成的对应所述信息请求用户的通信信息、及依据所述第二预编码向量生成的对应所述能量请求用户的信息。
所述生成的发送信号可用如下公式表示：
x=Σk=1KIpIkwIksIk+pEwEsE]]>
其中，![]()
表示发送给信息请求用户的功率矩阵；pE表示发送给所有能量请求用户的总功率，发射总功率![]()
表示发送给信息请求用户的符号向量，sE表示发送给能量请求用户的常数符号，能量用户仅在射频处收获能量，而不对接收到的信号进行解调与解码，因此给所有能量用户发送相同的常数已知符号sE，此常数符号可以随着时间有规律的变化也可以不变，且对于整个系统和对于全体接收用户来说都是已知的。
则，分配给第k个能量请求用户的能量为：
pEk=qEk||gEk*||2||g^E*||2pE.]]>
对于能量请求用户，直接将接收到的射频信号通过整流电路进行能量收 获，其单位时间内的能量收获统计平均值可以表示为：
Ek=ηE[|gEkTx+nEk|2]≈ηMqEkθEk2pEΣk=1KEqEkθEk+σBS2]]>
其中，所述η因子为能量用户端的能量收获效率，即从射频转化为电池直流电量的效率，nEk为用户端均值为0且方差为σ2的加性高斯白噪声。
对于信息请求用户端，其接收到的基带信号可以表示为：
![]()
由于能量传输常数信号sE是对全网络已知的，因此对于信息用户来说，在混合信息与能量传输系统中采用串行干扰消除技术对能量常数符号进行干扰消除，也就是，信息用户首先根据已知的符号sE进行等效信道估计，记为![]()
进而![]()
最后利用传统的检测技术进行解调解码即可。
以上为本申请实施例1提供了基于大规模天线的信息与能量混合传输方法、基于同样的思路，本申请实施例还提供相应的基于大规模天线的信息与能量混合传输装置。
实施例2
图3所示为本申请实施例2提供的基于大规模天线的信息与能量混合传输装置的结构示意图，图4所示为本申请实施例2提供的基于大规模天线的信息与能量混合传输装置与终端之间的交互图。主要是指在通信系统应用中，移动终端用户所使用的手机、平板等设备处于缺电、或缺电又无法及时寻找电源充电的状态下，通过向基站发送能量请求，再由基站向用户发送能量进行充电的过程。本装置是在基站端进行大规模天线组网的状态下，实现信息与能量混合传输，具体包括：
接收单元201，用于接收信息请求用户发送的信息导频序列，及能量请求 用户发送的能量导频序列；
生成单元202，用于依据所述信息导频序列，生成针对所述信息请求用户的第一预编码向量；依据所述能量导频序列，生成针对所述能量请求用户的第二预编码向量；
发送单元203，用于依据所述第一预编码向量和所述第二预编码向量，生成发送信号并向所述信息请求用户和所述能量请求用户发送。
所有能量请求用户共享一个能量导频序列，所述信息导频序列与所述能量导频序列正交。
如图4所示，假设当前基站利用空分复用同时同频服务KE个能量请求用户和KI个信息请求用户，且所述基站的天线个数为M根时，所述第k个ψ(ψ∈{E,I})用户的导频序列为φψk＝[φψk1,φψk2,…,φψkκ]T，所述第k个ψ(ψ∈{E,I})用户是指第k个能量请求用户、或者第k个信息请求用户，E为能量请求用户标识，I为信息请求用户标识。
首先，所述基站的接收单元201接收到的上行信号为：
Y＝GQ1/2ΦT+N
其中，G为上行信道矩阵G=[gE1,···,gEKE;gI1,···,gIKI],[gE1,···,gEKE]]]>表示能量请求用户的上行信道矩阵，![]()
表示信息请求用户的上行信道矩阵，E表示能量请求用户区别于表示信息请求用户的I；Q为上行用户导频功率矩阵，![]()
表示能量请求用户的导频功率矩阵，![]()
表示信息请求用户的导频功率矩阵，![]()
表示实数符号，K表示能量请求用户与信息请求用户的总数；Φ为导频序列矩阵![]()
表示能量请求用户的导频序列矩阵，![]()
表示信息请求用户的导频序列矩阵，![]()
为复数符号，K表示能量请求用户和信息请求用户的总数，κ表示能量请求用户或信息请求用户所发送的 导频序列的长度；![]()
是均值为0，方差为![]()
的噪声矩阵，κ表示能量请求用户或信息请求用户所发送导频序列的长度，M表示基站天线数量。
所述第k个ψ(ψ∈{E,I})用户的导频序列为φψk＝[φψk1,φψk2,…,φψkκ]T，若：
对于不同信息请求用户即ψ＝I，导频序列是相互正交的：
φIkHφIi=1,k=i;0,k≠i(k,i=1,2,...,KI)]]>
其中φI表示信息请求用户的导频序列，k、i表示不同序号的信息请求用户。
对于能量请求用户即ψ＝E，所有能量请求用户共享一个导频序列：
φEk＝φE,(k＝1,2,…,KE)
其中，所述φE表示能量请求用户的导频序列，k表示能量请求用户的序号。
所述能量请求用户占用的导频序列与信息请求用户占用的导频序列是相互正交的：
φEHφIk=0,(k=1,2,...,KI).]]>
所述生成单元202依据所述信息导频序列，生成针对所述信息请求用户的第一预编码向量；依据所述能量导频序列，生成针对所述能量请求用户的第二预编码向量。
所述生成单元202是指在所述接收单元201接收到所述信息请求用户的信息导频序列与能量请求用户的能量导频序列之后，依据所述信息导频序列、能量导频序列分别估计出所述信息请求用户的信道信息、及能量请求用户的信道信息，然后依据所述信道信息生成所述针对信息请求用户与能量请求用户的第一、第二预编码向量。
第k个信息请求用户的估计信道信息采用如下公式：
g^Ik=1qIkYφIk=gIk+1qIkn‾Ik,]]>
其中，向量![]()
是均值为0且方差为![]()
的独立同分布的等效噪声；qIk是第k个信息请求用户的上行导频功率。
估计所有能量请求用户的信道信息采用如下公式：
g^E=YφE=Σk=1KEqEkgEk+n‾E,]]>
其中，向量![]()
是均值为0且方差为![]()
的等效噪声，并与所述信息请求用户的噪声向量![]()
相互独立；qEk是第k个能量请求用户的上行导频功率。
则，依据所述第k个信息请求用户的估计信道信息生成第k个信息请求用户的第一预编码向量为：
wIk=g^Ik*||g^Ik*||;]]>
依据所述能量请求用户的估计信道信息生成所有能量请求用户的第二预编码向量为：
wE=g^E*||g^E*||=Σk=1KEqEkgEk*||g^E*||+n‾E*||g^E*||;]]>
其中，＊表示共轭操作，|| ||表示向量2范数。
第k个ψ(ψ∈{E,I})用户到所述M根基站天线的真实信道信息为：
gψk=θψk1/2hψk(k=1,2,...,Kψ)]]>
其中，θψk是大尺度衰落因子，![]()
是小尺度衰落向量，![]()
的每个元素服从均值为0及方差为1的复高斯分布，Kψ表示第k个ψ(ψ∈{E,I})用户；
所述发送单元203用于依据所述第一预编码向量和所述第二预编码向量，生成发送信号并向所述信息请求用户和所述能量请求用户发送。
所述发送信号混合包括：依据所述第一预编码向量生成的对应所述信息请求用户的发送信号、及依据所述第二预编码向量生成的对应所述能量请求用户的发送信号。
所述生成的发送信号可用如下公式表示：
x=Σk=1KIpIkwIksIk+pEwEsE]]>
其中，![]()
表示发送给信息请求用户的功率矩阵；pE表示发送给所有能量请求用户的总功率，发射总功率![]()
表示发送给信息请求用户的符号向量，sE表示发送能量请求用户的常数符号，能量用户仅在射频处收获能量，而不对接收到的信号进行解调与解码，因此给所有能量用户发送相同的常数已知符号sE，此常数符号可以随着时间有规律的变化也可以不变，且对于整个系统和对于全体接收用户来说都是已知的。
则，分配给第k个能量请求用户的能量为：
pEk=qEk||gEk*||2||g^E*||2pE.]]>
对于能量请求用户，直接将接收到的射频信号通过整流电路进行能量收获，其单位时间内的能量收获统计平均值可以表示为：
Ek=ηE[|gEkTx+nEk|2]≈ηMqEkθEk2pEΣk=1KEqEkθEk+σBS2]]>
其中，所述η因子为能量用户端的能量收获效率，即从射频转化为电池直流电量的效率，nEk为用户端均值为0且方差为σ2的加性高斯白噪声。
对于信息请求用户端，其接收到的基带信号可以表示为：
![]()
由于能量传输常数符号sE是对全网络已知的，因此对于信息用户来说，在混合信息与能量传输系统中采用串行干扰消除技术对能量信号进行干扰消除，也就是，信息用户首先根据已知的符号sE进行等效信道估计，记为![]()
进而![]()
最后利用传统的检测技术进行解调解码即可。
本申请基于大规模天线的信息和能量混合传输方法及装置，针对能量请求用户采用共享导频的技术方案，能量请求用户延长工作时间的增益相较于传统 正交导频方案相比具有明显优势。
假设信息请求用户个数为0，对比仅有能量请求用户时共享导频的性能增益。在仿真中假设能量用户均匀分布在内径为1m外径为10m的圆盘上，基站处于圆盘中心，基站和用户端的噪声功率谱密度均为-120dBm/Hz，系统带宽为100KHz，大尺度衰落为![]()
dEk为用户与基站的距离，ξEk为标准差为8dB的对数阴影衰落，下行发射实际功率与天线个数乘积为MpE＝36dBW，能量请求用户功率消耗速率为1万焦耳每天，记为pC。由此，计算得到在上行能量请求用户发送相同导频下，能量请求用户终端所收获的能量ESP，因而得到延长的工作时间为TSP＝ESP/pC。而对于能量请求用户采用正交导频下，终端所收获的能量也可以容易计算得到，记为EOP，因而得到延长的工作时间为TOP＝EOP/pC。由此得到共享导频方案与传统正交导频方案的能量请求用户的延长工作时间之比如图5所示，其中横轴为上行导频功率的最大值，从图5中可以看出，TSP/TOP≥1，因此，本申请所提出的上行能量请求用户采用共享导频方案好于传统的正交导频方案。而且随着基站端天线个数的增加，所提出方案的增益越来越大，在理想情况下，本申请共享导频方案终端用户延长工作时间与传统正交导频方案终端用户延长时间的比值为系统所服务的能量用户数目KE。
比较三种能量与信息混合传输方案情况如下：第一种是发送端采用最大比传输预编码(MRT)，对干扰不做任何处理；第二种是将能量用户预编码映射到信息用户信道正交子空间上，称为干扰警醒预编码(IAP)；第三种是本申请所提出的向能量请求用户发送常数信号，接收端进行串行干扰消除(SIC)。仿真默认参数为：能量请求用户分布在内径为10m外径为15m的圆盘，信息请求用户均匀分布在内径为10m外径为50m的圆盘上，与能量请求用户共用一个基站，总功率与天线个数乘积为25dBW，天线个数为100，信息请求用户与能量请求用户总和为20，其他参数同前述仿真参数。
仿真中按用户比例给能量请求用户和信息请求用户来分配系统的总功率， 即pE＝KEpT/K。能量请求用户采用上面的公平功率分配，信息请求用户采用等功率分配。逐渐增加信息请求用户的个数，图6给出了能量请求用户延长总时间(T)与信息用户总谱效率(SE)间的折中关系。从中可以看出，本申请所提出的采用常数信号进行能量传输，接收端采用串行干扰取消时，曲线在最外侧，表明系统的性能最优。而对于干扰警醒预编码(IAP)方案，其信息速率与本申请方案相同，然而延长时间性能略差。最大比传输预编码(MRT)方案的延长时间与本申请方案相同，但是信息速率略差。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个 流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、 光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。