一种电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，包括以下步骤：a.MIMO电力线通信系统的发送端向接收端发送导频序列；接收端根据接收到的导频序列估计信道矩阵H；b.接收端对估计出的信道矩阵H进行量化，得到反馈信道然后将反馈信道的编号反馈给发送端；c.发送端根据反馈信道以最大化能源利用效率为优化目标，计算波束成形矩阵T；d.接收端根据发送端计算出的波束成形矩阵T计算均衡矩阵G；e.接收端根据均衡矩阵G，得到本发明在充分考虑信道量化误差的基础上，应用迭代方法计算波束成形矩阵及所对应的接收端均衡矩阵，不仅消除了系统的干扰，保证了信息的传输速率，而且提高了系统的能量利用效率。
1.一种电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：a.MIMO电力线通信系统的发送端向接收端发送导频序列；接收端根据接收到的导频序列估计信道矩阵H；
b.接收端对估计出的信道矩阵H进行量化，得到反馈信道 然后将反馈信道 的编号反馈给发送端；
c.发送端根据反馈信道 以最大化能源利用效率为优化目标，计算波束成形矩阵T；
d.接收端根据发送端计算出的波束成形矩阵T计算均衡矩阵G；
b1.接收端将估计出的信道矩阵H，与接收端和发送端约定好的码本矩阵W进行对比，计算出二者之间的chordal距离，其表达式为：其中，Dk为第k个用户信道与码子之间的chordal距离，k为第k个用户，θj为第j个信道方向向量与码子的夹角，N指共N个向量；
b2，对步骤b1得到的chordal距离进行比较，将最小的chordal距离所对应的信道作为反馈信道b3，接收端将反馈信道 的编号发送给发送端；
C1，发送端根据接收端发送的信道编号计算出反馈信道C2，发送端根据反馈信道 计算出系统的吞吐量C，计算公式如下：Cm＝BE{log2(1+SINRm)}
其中，Cm是第m个用户的吞吐量，B代表用户所占用的带宽，SINRm代表第m个用户接收的信干噪比，E(·)代表均值运算；
C3，根据吞吐量C计算系统的能源效率μEE：其中Ptotal为总的能量消耗，由下式计算：其中pM和 分别是发送端发送功率和接收端的功率，而ηM和ηP分别是发送端和接收端的功率放大系数，pC代表整个异构网络的电路能量消耗；
Cm＝BE{log2(1+SINRm)}≥Cmin利用拉格朗日算子法计算出发送端的波束成形矩阵T：式中,Tm为第m个用户的预编码矩阵，Tr为求迹运算，Pmax为基站发送的最大功率”，Cmin为保证用户通信质量的最小吞吐量，M为发送天线数，N为接收天线数，Dm为信道与码子的距离，λm为拉格朗日系数，I为单位矩阵，T＝[T1，…，Tm，…，Tk]，其中，1为第1个用户，k为第k个用户。
2.根据权利要求1所述的电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，其特征是，所述均衡矩阵G的计算公式为：式中,Gm为第m个用户的均衡矩阵，Pk为分配给第k个用户的发送功率，为Pmax/K，G＝[G1，…，Gm，…，Gk]，1为第1个用户，k为第k个用户。
电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种多输入多输出(MIMO)电力线通信系统的波束成形方法，属于电力技术领域。
背景技术
[0002] 能源互联网中，由于能源接入设备众多，通信方式多种多样，需要传输的信息量较大，故宽带电力线载波通信技术成为研究的热点。多输入多输出(MIMO)技术的引入，使得宽带电力线MIMO系统成为能源互联网通信的重要支撑系统。在宽带电力线MIMO系统中，需要解决电力线中的同频干扰问题，根据脏纸编码理论，同频干扰可以全部消除，从而提高系统的传输速率；但是由于全部消除同频干扰的脏纸编码为非线性运算，计算复杂度高，不能在实际中应用，故线性波束成形算法成为研究的重点。
[0003] 随着全球能源供应的日益紧张，节能减排已成为当今世界的发展潮流；然而随着信息和通信技术的快速发展，相应的能量消耗也以惊人的速度增加；根据调查，超过50％的电能用在了频谱接入方面。故绿色高能源利用效率的宽带电力线通信成为了研究趋势。然而，现有的研究成果往往只是片面地追求高能源利用效率，而不能兼顾用户对信息传输速率的需求，显然是不实用的，因此有必要进一步进行研究。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，在保证信息传输速率的同时，提高能源利用效率。
[0005] 本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
[0006] 一种电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，所述方法包括以下步骤：
[0007] a.MIMO电力线通信系统的发送端向接收端发送导频序列；接收端根据接收到的导频序列估计信道矩阵H；(导频序列可以采用m序列或者golden序列等正交序列)[0008] b.接收端对估计出的信道矩阵H进行量化，得到反馈信道 然后将反馈信道 的编号反馈给发送端；
[0009] c.发送端根据反馈信道 以最大化能源利用效率为优化目标，计算波束成形矩阵T；
[0010] d.接收端根据发送端计算出的波束成形矩阵T计算均衡矩阵G；
[0011] e.接收端根据均衡矩阵G，得到 ( 为最终得到的信息，用来区别发送的信息x，根据波束成形矩阵T和均衡矩阵G联合信号处理，就能够得到 )。
[0012] 上述电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，其中的步骤b具体包括：
[0013] b1.接收端将估计出的信道矩阵H，与接收端和发送端约定好的码本矩阵W进行对比，计算出二者之间的chordal距离，其表达式为：
[0014]
[0015] 其中，Dk为第k个用户信道与码子之间的chordal距离，k为第k个用户，θj为第j个信道方向向量与码子的夹角，N是指共N个向量；
[0016] b2，对步骤b1得到的chordal距离进行比较，将最小的chordal距离所对应的信道作为反馈信道
[0017] b3，接收端将反馈信道 的编号发送给发送端。
[0018] 上述电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，其中的步骤c具体包括：
[0019] C1，发送端根据接收端发送的信道编号计算出反馈信道
[0020] C2，发送端根据反馈信道 计算出系统的吞吐量C，计算公式如下：
[0021]
[0022] C3，根据吞吐量C计算系统的能源效率μEE：其中，Cm是第m个用户的吞吐量，B代表用户所占用的带宽，SINRm代表第m个用户接收的信干噪比，E(·)代表均值运算；
[0023]
[0024] 其中Ptotal为总的能量消耗，由下式计算：
[0025]
[0026] 其中pM和 分别是发送端发送功率和接收端的功率，而ηM和ηP分别是发送端和接收端的功率放大系数，pC代表整个异构网络的电路能量消耗；
[0027] C4，根据优化函数
[0028]
[0029]
[0030] Cm＝BE{log2(1+SINRm)}≥Cmin
[0031] 利用拉格朗日算子法计算出发送端的波束成形矩阵T：
[0032]
[0033] 式中,Tm为第m个用户的预编码矩阵，Tr为求迹运算，Pmax为基站发送的最大功率，Cmin为保证用户通信质量的最小吞吐量，M为发送天线数，N为接收天线数，Dm为信道与码子的距离，λm为拉格朗日系数，I为单位矩阵，T＝[T1，…，Tm，…，TK]。
[0034] 上述电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，所述均衡矩阵G的计算公式为：
[0035]
[0036] 式中,Gm为第m个用户的均衡矩阵，Pm为分配给第m个用户的发送功率，为Pmax/K，G＝[G1，…，Gm，…，Gk]。
[0037] 本发明在充分考虑信道量化误差的基础上，应用迭代方法计算波束成形矩阵及所对应的接收端均衡矩阵，不仅消除了系统的多用户干扰和共信道干扰，保证了信息的传输速率，而且提高了系统的能量利用效率。
附图说明
[0038] 图1为本发明的流程图；
[0039] 图2(a)和图2(b)分别为已有技术与本发明方法的能效曲线和中断概率曲线。
[0040] 文中各符号为：H为信道矩阵， 为反馈信道，T为波束成形矩阵，G为均衡矩阵，为最终得到的信息，用来区别发送的信息x，根据波束成形矩阵T和均衡矩阵G联合信号处理，就能够得到 Dk为第k个用户信道与码子之间的chordal距离，θj为第j个信道方向向量与码子的夹角，C为吞吐量，Cm是第m个用户的吞吐量，B为用户所占用的带宽，SINRm为第m个用户接收的信干噪比，μEE为能源效率，Ptotal为总的能量消耗，pM和 分别是发送端发送功率和接收端的功率，ηM和ηP分别是发送端和接收端的功率放大系数，pC为整个异构网络的电路能量消耗，Tm为第m个用户的预编码矩阵，Tr为求迹运算，Pmax为基站发送的最大功率，Cmin为保证用户通信质量的最小吞吐量，M为发送天线数，N为接收天线数，Dm为信道与码子的距离，λm为拉格朗日系数，I为单位矩阵。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0042] 电力线MIMO收发端的信号处理步骤如下：
[0043] 步骤A，本发明考虑的是多输入多输出系统，发送端发送导频序列；接收端根据导频序列，估计信道矩阵H；
[0044] 步骤B1，接收端根据估计出的信道矩阵H，与接收端发送端约定好的码本矩阵进行对比，计算二者之间的chordal距离，其表达式为
[0045]
[0046] 步骤B2，对步骤B1得到的chordal距离进行比较，找到最小的chordal距离；
[0047] 步骤B3，将最小的chordal距离所对应的信道编号发送给发送端；
[0048] 步骤C1，发送端根据接收端得到的信道编号，计算出反馈信道
[0049] 步骤C2，发送端根据 计算出系统的吞吐量C，计算公式如下：
[0050] Cm＝BE{log2(1+SINRm)}
[0051] 其中，B代表用户所占用的带宽，SINRm代表第m个用户接收的信干噪比。
[0052] 步骤C3，根据吞吐量C计算出系统的能源效率，其计算表达式为：
[0053]
[0054] 其中总的能量消耗Ptotal为：
[0055]
[0056] 其中pM和 分别是发送端发送功率和接收端的功率，而ηM和ηP分别是发送端和接收端的功率放大系数，pC代表整个异构网络的电路能量消耗。
[0057] 步骤C4，根据优化函数
[0058]
[0059]
[0060] Cm＝BE{log2(1+SINRm)}≥Cmin
[0061] 利用拉格朗日算子法计算出发送端的波束成形矩阵
[0062]
[0063] 步骤D，根据发送端波束成形矩阵，计算均衡矩阵G，其表达式为
[0064]
[0065] 图2(a)仿真了没有考虑量化误差和能效的波束成形方法(即传统波束成形方法)、没有考虑量化误差的能效方法(即传统能效优化方法)和本发明方法的能效性能，图2(b)仿真了没有考虑量化误差和能效的波束成形方法、没有考虑量化误差的能效方法和本发明方法的中断概率，其中调制方式采用QPSK，快速傅里叶变换采用128位，信道编码采用码率为3/4的Turbo码，数据位为72位，非数据位为64位，由图2(a)可以看出，本发明的能效性能相对于以上两个方法至少获得5bps/Hz的增益，由此可以看出，本发明显著提高了系统的能源利用效率。
[0066] 以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明实施方式的限制，本领域技术人员在不脱离本发明的核心技术下，所做出的各种等效变化和变型，也应属于本发明的保护范围。
