一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法，考虑多天线次用户基站向单天线次用户接收机同时传输无线信息和能量的场景，次用户采用功率分离接收机结构，建立在满足次用户通信质量、次用户捕获能量以及对主用户干扰影响的约束条件下，最小化次用户基站发送功率的优化问题，联合对基于有益干扰的预编码矢量和次用户接收机功率分离因子进行优化，并利用二阶锥规划相关理论对建立的优化模型进行求解。通过仿真验证，利用有益干扰的方案比传统的波束成形设计方案在满足相应约束条件下所需要的次用户基站发送功率更小。
1.一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：建立系统模型，系统模型包括一个次用户基站，K个次用户接收机和L个主用户接收机；次用户基站通过信道hk向K个次用户发送信号，次用户能够同时进行能量捕获和信息译码；根据系统模型得到次用户网络传输时主用户干扰功率；具体过程如下：步骤一的具体过程如下：第k个次用户接收到的信号yk为：
其中， 为次用户基站到次用户接收机之间的基带等效信道，si为次用户基站发送的信息信号，vi为基站的发送波束成形矢量，nk为每个次用户接收噪声；
接收到的信号yk被分为两部分，一部分用来信息处理，用来信息处理的信号所占比例为ρk，另一部分用来能量捕获，用来能量捕获的信号所占比例为1-ρk，功率分离因子为ρk∈(0,
1)；其中，用于信息处理的信号 表示为：其中，nwk为信息译码过程中的处理噪声；在次用户网络传输中，次用户接收信干噪比SINRk表示为：用于能量捕获的信号 表示为：
对于第l个主用户，干扰功率Il表示为：其中， 为次用户基站到次用户接收机之间的基带等效信道；
pk表示与功率分离因子ρk有关的变量，定义步骤二：根据主用户干扰功率、次用户捕获能量和信息接收，在发射端已知完美信道状态信息条件下，建立最小化次用户基站发送功率优化问题；将建立的最小化次用户基站发送功率优化问题转化为SOCP上界和下界优化问题，并求解，具体过程如下：步骤二中建立最小化次用户基站发送功率优化问题的具体过程为：根据主用户干扰功率，在发射端已知完美信道状态信息条件下，对利用有益干扰的预编码方案进行分析，建立最小化次用户基站发送功率优化问题。
2.根据权利要求1所述的一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法，其特征在于，步骤二中建立最小化次用户基站发送功率优化问题的具体过程为：PSK调制下的信号表示为 s表示恒定的幅度且s＝1， 表示相位，因此，第k个次用户接收到的信号yk重写为：次用户能量捕获部分表示为
次用户网络传输对主用户的干扰功率Il表示为：定义参数 得到第k个次用户接收信号的实部和虚部满足如下条件：
其中， 为有益区域的距离，由信噪比约束得到， θ为有益干扰区域的最大角度偏移量，θ＝π/M,其中M为给定的调制阶数；
在满足每个次用户信干噪比约束、次用户捕获能量约束、次用户网络传输对主用户干扰功率约束以及功率分离因子约束的条件下，建立的最小化次用户基站发送功率的优化问题，表示如下：其中，η为能量转换效率，且0＜η＜1； 表示相位。
3.根据权利要求1所述的一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法，其特征在于，步骤二中，将建立的最小化次用户基站发送功率优化问题转化为SOCP上界和下界优化问题的具体过程如下：定义参数 参数 参数对于任意一个主用户来说，次用户基站发送功率对其产生的平均干扰功率不会因为用户k不同引起变化，取k＝1，即 上述最小化次用户基站发送功率的优化问题重写为：
对任意次用户的能量约束条件进行放缩，将步骤二建立的最小化次用户基站发送功率优化问题分别转换为SOCP的上界优化问题和下界优化问题。
4.根据权利要求3所述的一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法，其特征在于，将最小化次用户基站发送功率优化问题转换为SOCP的上界优化问题的具体过程如下：从次用户信干噪比约束条件中得到：
由于次用户能量约束条件是非凸的，且表示如下：为了将上述公式转化为凸的，将等式右边的虚部舍去，严格约束条件，得到从而得到：
由于问题为凸优化问题，所以将次用户信干噪比约束条件与次用户能量捕获约束条件均转换为二阶锥约束的标准形式；
5.根据权利要求3所述的一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法，其特征在于，将次用户信干噪比约束条件转换为二阶锥约束的标准形式的具体过程如下：从次用户信干噪比约束条件中得到进一步分解得到：
定义参数 变量tk≥0，将次用户信干噪比约束条件中转化为如下形式：
6.根据权利要求3所述的一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法，其特征在于，将次用户能量约束条件转换为二阶锥约束的标准形式的具体过程如下：通过次用户信干噪比约束条件得到：其中 被省略；进一步获得以下不等式：
将上述不等式代入次用户能量约束条件中，次用户能量约束条件转换为：
7.一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：建立系统模型，系统模型包括一个次用户基站，K个次用户接收机和L个主用户接收机；次用户基站通过信道hk向K个次用户发送信号，次用户能够同时进行能量捕获和信息译码；根据系统模型得到次用户网络传输时主用户干扰功率；具体过程如下：步骤一的具体过程如下：第k个次用户接收到的信号yk为：
其中， 为次用户基站到次用户接收机之间的基带等效信道，si为次用户基站发送的信息信号，vi为基站的发送波束成形矢量，nk为每个次用户接收噪声；
接收到的信号yk被分为两部分，一部分用来信息处理，用来信息处理的信号所占比例为ρk，另一部分用来能量捕获，用来能量捕获的信号所占比例为1-ρk，功率分离因子为ρk∈(0,
1)；其中，用于信息处理的信号 表示为：其中，nwk为信息译码过程中的处理噪声；在次用户网络传输中，次用户接收信干噪比SINRk表示为：用于能量捕获的信号 表示为：
对于第l个主用户，干扰功率Il表示为：其中， 为次用户基站到次用户接收机之间的基带等效信道；
步骤二：根据主用户干扰功率，在发射端已知不完美信道状态信息条件下，对利用有益干扰鲁棒性预编码问题进行分析求解；
具体过程如下：假设每个次用户接收机的功率分离因子都是相同且固定的；采用高斯信道误差模型，在次用户基站所知道的信道状态信息不完美的场景中，从次用户基站到K个次用户以及L个主用户之间的信道分别表示为如下形式：其中， 为次用户基站估计的到第k个次用户的信道状态信息； 为次用户基站估计的到第l个主用户的信道状态信息；ek为次用户信道状态信息不确定性，||ek||≤εk；el为主用户信道状态信息不确定性，||el||≤εl，εk和εl为误差范围；因此，在不完美信道状态信息条件下，得到最小化次用户基站发送功率优化问题：对每个复向量的实部和虚部分别进行考虑，得到：定义 w1＝
[wI；wR]，w2＝[wR；-wI]，得到 和 分别表示如下：因此，将次用户信干噪比约束写为：
对主用户的干扰功率约束，进行转化，得到：将次用户能量捕获约束条件的公式以及主用户的干扰功率约束的公式均转化为线性矩阵不等式的形式；不完美信道状态信息场景下基于有益干扰的鲁棒性波束成形方案的最小化次用户基站发送功率优化问题表示如下：rank(W1)＝1,rank(W2)＝1.
其中，uk，tl为松弛变量；采用半正定松弛规划，利用凸优化工具箱进行求解；
w表示与基站的发送波束成形矢量vi和信号相位 有关的变量，定义表示第k个次用户接收噪声功率；
一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线携能通信认知网络领域，具体为一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法。
背景技术
[0002] 近年来，随着各种移动设备的快速发展，传统持续供电的通信网络流量增加，能源消耗问题引起极大关注，当网络节点所处的环境过于复杂时，给节点不定时更换电池存在许多困难，因此能量限制成为影响无线网络生命周期和性能的关键因素。为了给无线通信网络设备的运作提供持续的能量，无线能量传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)获得了广泛研究并取得了显著进展。无线能量传输技术与通信网络的广泛结合，使同时向网络设备传输信息和能量的方案有了极大的需求。为了解决这一问题，Varshney在2008年提出了无线携能通信技术(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)，同时，为了提高网络的频谱效率，将无线能量传输技术引入到认知网络中，可以对网络的能量效率和频谱效率有极大提升。而对于认知网络中的多用户系统场景，为了避免多用户之间的相互干扰，对多天线发射端进行预编码设计是很有必要的。
[0003] 现阶段有关多用户无线能量传输认知网络波束成形设计的研究也十分广泛，主要有对无线携能通信在满足主用户通信需求的情况下，次用户网络能量与信息传输均衡问题、不完美信道信息下的鲁棒性波束成形设计以及多输入单输出无线能量传输认知网络中多目标资源分配问题等方面的讨论。值得注意的是，在基于无线携能通信的认知网络中，对系统性能的分析需要对波束成形向量与功率分离系数进行联合优化。传统对于多输入单输出下行链路的波束成形设计，是利用信道状态信息，对发射机传输信号进行预编码，减小多用户之间的干扰，对网络性能进行优化，近年来，一些研究提出一种新的观点，利用在下行链路传输的干扰信号进行数据辅助波束成形，在每个符号的基础上，对瞬时干扰进行处理，使干扰建设性地旋转到每个用户有用信号的检测区域，从而提高检测性能，这种预编码设计是基于每个符号和相关的干扰信号，称为符号级预编码(Symbol-Level Precoding)，也称为有益干扰(Constructive Interference,CI)预编码。这种预编码方式被广泛用于多输入单输出的发送端预编码方案设计中，已经有相关研究将其应用于多输入单输出网络最小化均方误差问题、在全双工无线通信系统中利用多用户干扰构建多目标优化问题以及非线性功率放大器网络中减小多发射天线之间的不平衡问题等系统场景，可以很好地减少发送端的发送功率，提升网络的传输性能和服务质量，实现对资源的有效利用。考虑到无线能量传输技术可以有效应用到能量受限的网络场景中，因此在无线能量传输多输入单输出网络预编码方案设计中，可以引入有益干扰预编码设计，进一步提高用户的通信质量和能量效率，降低传输功率，节约资源。
[0004] 目前，已有一些研究针对无线能量传输多输入单输出网络的有益干扰预编码设计方案进行分析讨论。Timotheou等人将有益干扰预编码与无线携能通信多输入单输出网络结合起来，在满足网络通信质量以及能量捕获要求的条件下，有效减少了发送端的发送功率；Khandaker等人主要分析了无线携能通信有益干扰预编码设计中，有窃听节点的系统安全性能。Masouro等人将有益干扰预编码应用到多用户认知无线网络Z信道中，对次用户基站进行有益干扰预编码设计，有效提高了次用户的信干噪比。根据以上调研，将无线携能通信有益干扰预编码设计应用在认知多用户网络中，在频谱效率、能量效率以及发送功率优化等方面都有明显优势，可以有效节约资源。
[0005] 为了进一步提高用户的通信质量和能量效率，降低传输功率，可以将无线能量传输技术应用到认知无线网络有益干扰预编码方案中，根据调研，目前还没有针对在无线携能通信多用户认知无线网络中，对次用户网络基站进行有益干扰预编码设计，研究最小化次用户基站的发送功率问题。
[0006] 针对无线携能通信认知无线网络中的多用户间干扰问题，有必要提供一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法。
发明内容
[0007] 针对现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法。
[0008] 为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
[0009] 一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法，包括如下步骤：
[0010] 步骤一：建立系统模型，系统模型包括一个次用户基站，K个次用户接收机和L个主用户接收机；次用户基站通过信道hk向K个次用户发送信号，次用户能够同时进行能量捕获和信息译码；根据系统模型得到次用户网络传输时主用户干扰功率；
[0011] 步骤二：根据主用户干扰功率、次用户捕获能量和信息接收，在发射端已知完美信道状态信息条件下，建立最小化次用户基站发送功率优化问题；将建立的最小化次用户基站发送功率优化问题转化为SOCP上界和下界优化问题，并求解。
[0012] 本发明进一步的改进在于，步骤一的具体过程如下：
[0013] 第k个次用户接收到的信号yk为：
[0014]
[0015] 其中， 为次用户基站到次用户接收机之间的基带等效信道，si为次用户基站发送的信息信号，vi为基站的发送波束成形矢量，nk为每个次用户接收噪声；
[0016] 接收到的信号yk被分为两部分，一部分用来信息处理，用来信息处理的信号所占比例为ρk，另一部分用来能量捕获，用来能量捕获的信号所占比例为1-ρk，功率分离因子为ρk∈(0,1)；其中，用于信息处理的信号 表示为：
[0017]
[0018] 其中，nwk为信息译码过程中的处理噪声；在次用户网络传输中，次用户接收信干噪比SINRk表示为：
[0019]
[0020] 用于能量捕获的信号 表示为：
[0021]
[0022] 每个次用户采集到的能量Pk为：
[0023]
[0024] 其中，η为能量转换效率；
[0025] 对于第l个主用户，干扰功率Il表示为：
[0026]
[0027] 其中， 为次用户基站到次用户接收机之间的基带等效信道。
[0028] 本发明进一步的改进在于，步骤二中建立最小化次用户基站发送功率优化问题的具体过程为：
[0029] 根据主用户干扰功率，在发射端已知完美信道状态信息条件下，对利用有益干扰的预编码方案进行分析，建立最小化次用户基站发送功率优化问题。
[0030] 本发明进一步的改进在于，步骤二中建立最小化次用户基站发送功率优化问题的具体过程为：PSK调制下的信号表示为 s表示恒定的幅度且s＝1， 表示相位，因此，第k个次用户接收到的信号yk重写为：
[0031]
[0032] 次用户能量捕获部分表示为
[0033]
[0034] 每个次用户采集的能量为：
[0035]
[0036] 次用户信息处理部分表示为：
[0037]
[0038] 次用户网络传输对主用户的干扰功率Il表示为：
[0039]
[0040] 定义参数 得到第k个次用户接收信号的实部和虚部满足如下条件：
[0041]
[0042] 其中， 为有益区域的距离，由信噪比约束得到， θ为有益干扰区域的最大角度偏移量，θ＝π/M,其中M为给定的调制阶数；
[0043] 次用户基站的发送功率PT表示为：
[0044]
[0045] 在满足每个次用户信干噪比约束、次用户捕获能量约束、次用户网络传输对主用户干扰功率约束以及功率分离因子约束的条件下，建立的最小化次用户基站发送功率的优化问题，表示如下：
[0046]
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051] 其中，η为能量转换效率，且0<η<1； 表示相位。
[0052] 本发明进一步的改进在于，步骤二中，将建立的最小化次用户基站发送功率优化问题转化为SOCP上界和下界优化问题的具体过程如下：定义参数 参数参数 对于任意一个主用户来说，次用户基站发送功率对其
产生的平均干扰功率不会因为用户k不同引起变化，取k＝1，即 上述最
小化次用户基站发送功率的优化问题重写为：
[0053]
[0054]
[0055]
[0056]
[0057]
[0058] 对任意次用户的能量约束条件进行放缩，将步骤二建立的最小化次用户基站发送功率优化问题分别转换为SOCP的上界优化问题和下界优化问题。
[0059] 本发明进一步的改进在于，将最小化次用户基站发送功率优化问题转换为SOCP的上界优化问题的具体过程如下：
[0060] 从次用户信干噪比约束条件中得到：
[0061]
[0062] 由于次用户能量约束条件是非凸的，且表示如下：
[0063]
[0064] 为了将上述公式转化为凸的，将等式右边的虚部舍去，严格约束条件，得到从而得到：
[0065]
[0066]
[0067]
[0068]
[0069]
[0070] 由于问题为凸优化问题，所以将次用户信干噪比约束条件与次用户能量捕获约束条件均转换为二阶锥约束的标准形式；
[0071] 定义 参数 得到渐进的SOCP上界问题表示如下：
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[0078] 渐进SOCP下界优化问题表示如下：
[0079]
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] 本发明进一步的改进在于，将次用户信干噪比约束条件转换为二阶锥约束的标准形式的具体过程如下：从次用户信干噪比约束条件中得到
[0087]
[0088] 进一步分解得到：
[0089]
[0090] 定义参数 变量tk≥0，将次用户信干噪比约束条件中转化为如下形式：
[0091]
[0092]
[0093] 本发明进一步的改进在于，将次用户能量约束条件转换为二阶锥约束的标准形式的具体过程如下：通过次用户信干噪比约束条件得到：
[0094]
[0095] 其中 被省略；进一步获得以下不等式：
[0096]
[0097] 将上述不等式代入次用户能量约束条件中，次用户能量约束条件转换为：
[0098]
[0099] 一种无线携能通信认知网络有益干扰设计方法，包括如下步骤：
[0100] 步骤一：建立系统模型，系统模型包括一个次用户基站，K个次用户接收机和L个主用户接收机；次用户基站通过信道hk向K个次用户发送信号，次用户能够同时进行能量捕获和信息译码；根据系统模型得到次用户网络传输时主用户干扰功率；
[0101] 步骤二：根据主用户干扰功率，在发射端已知不完美信道状态信息条件下，对利用有益干扰鲁棒性预编码问题进行分析求解。
[0102] 本发明进一步的改进在于，步骤二的具体过程如下：假设每个次用户接收机的功率分离因子都是相同且固定的；采用高斯信道误差模型，在次用户基站所知道的信道状态信息不完美的场景中，从次用户基站到K个次用户以及L个主用户之间的信道分别表示为如下形式：
[0103]
[0104]
[0105] 其中， 为次用户基站估计的到第k个次用户的信道状态信息； 为次用户基站估计的到第l个主用户的信道状态信息；ek为次用户信道状态信息不确定性，||ek||≤εk；el为主用户信道状态信息不确定性，||el||≤εl，εk和εl为误差范围；因此，在不完美信道状态信息条件下，得到最小化次用户基站发送功率优化问题：
[0106] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0107] 相比于传统的认知无线电网络，本方法中采用建立系统模型，建立最小化次用户基站发送功率优化问题，再转化为SOCP上界和下界优化问题，并求解；通过无线携能通信技术解决了传统网络电池消耗与替换不方便的问题。其次，相比于传统的认知网络下行链路波束成形设计方案，本方法在满足次用户通信质量、次用户能量捕获以及对主用户的干扰影响的约束条件下，联合有益干扰预编码矢量和次用户接收机功率分离因子建立优化问题，利用凸优化理论对其进行二阶锥规划转换并求解，有效降低了次用户基站的发送功率。
[0108] 本发明在满足次用户通信质量、次用户捕获能量以及对主用户干扰影响的约束条件下，通过联合优化有益干扰预编码矢量和功率分离比率，最小化次用户基站的发送功率。同时，在不完美信道状态信息条件下，设计了基于有益干扰的鲁棒性预编码方案，可以进一步降低次用户基站的发送功率。
[0109] 仿真证明与传统的认知网络下行链路波束成形设计方案相比，本发明所采用的有益干扰预编码设计在满足所有约束条件下所需要的次用户基站发送功率更小。
附图说明
[0110] 图1为系统模型示意图；
[0111] 图2为有益干扰设计示意图；
[0112] 图3为不同次用户信干噪比阈值对应的发送功率变化图。
[0113] 图4为不同次用户能量捕获阈值对应的发送功率变化图。
[0114] 图5为不同约束条件阈值对应的发送功率三维图对比图。
[0115] 图6为不同信道估计误差对应的发送功率图。
具体实施方式
[0116] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
[0117] 首先建立如图1所示的系统模型，系统模型包括一个次用户基站，K个次用户接收机，和L个主用户接收机。次用户基站通过信道hk向K个次用户发送信号，次用户基站配有N>1根天线，向K个向单天线次用户接收机同时传输无线信息和能量，每个次用户都是功率分离接收机结构，可以同时进行信息处理和能量捕获。
[0118] 由于认知网络中次用户网络通信会对L个单天线主用户接收信号产生干扰影响，在优化系统性能的过程中，需要确保次用户基站发送功率对主用户的干扰满足一定要求。建立认知网络次用户基站的发送功率最小化问题，除了需要满足任意次用户通信质量、次用户能量捕获的条件外，也需要满足对L个主用户的干扰影响约束条件，确保次用户基站发送功率对主用户的干扰不超过给定阈值，联合对有益干扰预编码矢量和次用户接收机功率分离因子进行优化。
[0119] 利用有益干扰的预编码设计如图2所示，将接收到的信号移出星座判决阈值，旋转到有用信号星座符号区域内，为图2中灰色区域，有利于接收端的信号检测。可以看出，接收信号的实部和虚部需要满足一定的关系，使接收信号始终保持在有益区域内。
[0120] 本发明提供的一种在无线携能通信认知网络中利用有益干扰进行预编码设计的方法，包括以下步骤：
[0121] 步骤一：次用户基站通过信道hk向K个次用户发送信号，次用户采用功率分离接收机结构，同时进行能量捕获和信息译码，对于每一个主用户来说，次用户网络的传输会对主用户接收的信号产生干扰，根据系统模型，可以得到主用户干扰功率表示，具体过程如下：
[0122] 第k个次用户接收到的信号yk为：
[0123]
[0124] 其中， 为次用户基站到次用户接收机之间的基带等效信道，si为次用户基站发送的信息信号，vi为基站的发送波束成形矢量，nk为每个次用户接收噪声，为0均值高斯白噪声，噪声功率为 假设每个次用户接收噪声相等。
[0125] 次用户均采用功率分离接收机结构，可以同时进行能量捕获和信息译码。因此接收到的信号yk被分为两部分，一部分用来信息处理，用来信息处理的信号所占比例为ρk，另一部分用来能量捕获，用来能量捕获的信号所占比例为1-ρk，功率分离因子为ρk∈(0,1)。其中，用于信息处理的信号 可以表示为：
[0126]
[0127] 其中，nwk为信息译码过程中的处理噪声，该噪声是均值为0，功率为 的高斯白噪声。在次用户网络传输中，次用户接收信干噪比SINRk表示为：
[0128]
[0129] 接收到的信号另一部分用于能量捕获，用于能量捕获的信号 可以表示为：
[0130]
[0131] 因此，每个次用户采集到的能量Pk为：
[0132]
[0133] 其中，η为能量转换效率，且0<η<1。
[0134] 此外，对于每一个主用户来说，次用户网络的传输会对主用户接收的信号产生干扰，对第l个主用户来说，干扰功率Il可表示为：
[0135]
[0136] 其中， 为次用户基站到次用户接收机之间的基带等效信道。
[0137] 步骤二：建立最小化次用户基站发送功率优化问题；
[0138] 首先对传统波束成形设计进行分析。在满足次用户的信干噪比和能量捕获约束条件，以及对主用户的干扰影响不超过一定阈值(阈值根据实际需要可以进行调整)的条件下，联合优化发送波束成形向量vk和功率分离因子ρk，建立最小化次用户基站发送功率优化问题，表示如下：
[0139]
[0140]
[0141]
[0142]
[0143] 其中，γk为次用户信干噪比阈值；Ek为次用户能量捕获阈值；βl为次用户网络传输对主用户的干扰阈值，j为不同的次用户。
[0144] 接着，对利用有益干扰的预编码方案进行分析。PSK调制下的信号可以表示为s表示恒定的幅度且s＝1， 表示相位。因此，第k个次用户接收到的信号yk可以重写为：
[0145]
[0146] 次用户能量捕获部分表示为
[0147]
[0148] 每个次用户采集的能量为：
[0149]
[0150] 次用户信息处理部分表示为：
[0151]
[0152] 次用户网络传输对主用户的干扰功率Il表示为：
[0153]
[0154] 为了让接收信号都落入有益区域内，需要对所有发送信号进行设计，有利于次用户接收信号的检测。在有益干扰设计中，基于简单的几何分析，定义参数可以得到第k个次用户接收信号的实部和虚部需要满足如下条件：
[0155]
[0156] 其中， 为有益区域的距离，由信噪比约束得到， θ为有益干扰区域的最大角度偏移量，θ＝π/M,其中M为给定的调制阶数。
[0157] 引入有益干扰预编码设计后，次用户基站的发送功率PT表示为：
[0158]
[0159] 因此，建立在满足每个次用户信干噪比约束、次用户捕获能量约束、次用户网络传输对主用户干扰功率约束以及功率分离因子约束的条件下，最小化次用户基站发送功率的优化问题，表示如下：
[0160]
[0161]
[0162]
[0163]
[0164]
[0165] 其中，η为能量转换效率，且0<η<1。 表示相位。
[0166] 步骤三：将建立的最小化次用户基站发送功率优化问题转化为SOCP上界和下界优化问题，进行求解。
[0167] 为了简化表达，定义参数 参数 参数其中，对于任意一个主用户来说，次用户基站发送功率对其产生的平均干扰功率并不会因为用户k不同引起变化，可以取k＝1，即 上述最小化次用户基站发送功
率的优化问题可以重写为：
[0168]
[0169]
[0170]
[0171]
[0172]
[0173] 由于次用户能量约束条件的影响，上述优化问题是非凸的，无法直接进行优化求解。对任意次用户的能量约束条件进行了放缩，将原问题分别转换为SOCP的上界和下界优化问题。
[0174] 为了对优化问题进行近似求解，通过对能量非凸约束的转化，使其变得更为严格，构造一个SOCP凸优化问题，可以得到目标函数上界。从次用户信干噪比约束条件中可以得到：
[0175]
[0176] 由于次用户能量约束条件是非凸的，且可以表示如下：
[0177]
[0178] 为了将上述公式转化为凸的，可以将等式右边的实部或者虚部忽略。与虚部值相比 ，实部值对能量等式影响更大，因此将虚部舍去，严格约束条件，得到从而可以得到：
[0179]
[0180]
[0181]
[0182]
[0183]
[0184] 上述问题为凸优化问题，但是直接利用优化工具进行求解较为困难，因此需要将每个约束条件转换为二阶锥约束的标准形式。
[0185] 在本发明所建立的优化问题中，首先，对次用户信干噪比约束条件进行转换。从次用户信干噪比约束条件中可以得到：
[0186]
[0187] 进一步分解得到：
[0188]
[0189] 定义参数 变量tk≥0，可以将次用户信干噪比约束条件中转化为如下形式：
[0190]
[0191]
[0192] 同理可以对次用户能量捕获约束条件进行转换。定义
[0193] 参数 得到渐进的SOCP上界问题表示如下：
[0194]
[0195]
[0196]
[0197]
[0198]
[0199]
[0200] 经过转换的优化问题是SOCP凸优化问题，可以通过优化工具对其进行求解。当时，得到的解是步骤二中建立的最小化次用户基站发送功率优化问题的最优解。
[0201] 原优化问题的下界提供了所求得的解与最优值之间的差距，因此，求出SOCP下界的优化公式很重要。为了提供最小化次用户基站发送功率优化问题的下界，通过对非凸的次用户能量捕获约束条件进行放松，推导得出了优化问题下界SOCP表达。通过次用户信干噪比约束条件可以得到：
[0202]
[0203] 其中 被省略。进一步获得以下不等式：
[0204]
[0205] 将上式代入次用户能量约束条件，次用户能量约束条件可以转换为：
[0206]
[0207] 与求SOCP上界优化问题转化过程类似，将次用户信干噪比约束条件与次用户能量捕获约束条件转化为二阶锥标准形式，得到的渐进SOCP下界优化问题表示如下：
[0208]
[0209]
[0210]
[0211]
[0212]
[0213]
[0214]
[0215] 上述问题为SOCP凸优化问题，并且符合二阶锥规划标准形式，可以利用凸优化工具箱直接进行求解，本发明采用CVX工具箱。
[0216] 或者在进行步骤一后，进行如下过程：
[0217] 在发射端已知不完美信道状态信息条件下，对利用有益干扰鲁棒性预编码问题进行分析求解。为了简化运算，假设每个次用户接收机的功率分离因子都是相同且固定的。
[0218] 采用广泛使用的高斯信道误差模型，在次用户基站所知道的信道状态信息不完美的场景中，从次用户基站到K个次用户以及L个主用户之间的信道可以分别表示为如下形式：
[0219]
[0220]
[0221] 其中， 为次用户基站估计的到第k个次用户的信道状态信息； 为次用户基站估计的到第l个主用户的信道状态信息；ek为次用户信道状态信息不确定性，||ek||≤εk；el为主用户信道状态信息不确定性，||el||≤εl，εk和εl为误差范围。
[0222] 因此，在不完美信道状态信息条件下，可以得到最小化次用户基站发送功率优化问题：
[0223]
[0224]
[0225]
[0226]
[0227] 对每个复向量的实部和虚部分别进行考虑，可以得到：
[0228]
[0229] 定义 w1＝[wI；wR]，w2＝[wR；-wI]。可以得到 和 分别表示如下：
[0230]
[0231]
[0232] 因此，可以将次用户信干噪比约束写为：
[0233]
[0234]
[0235] 对于次用户能量捕获约束条件，由于：
[0236]
[0237] 可以将次用户能量捕获约束条件重写为：
[0238]
[0239] 其中，参数 参数
[0240] 对主用户的干扰功率约束，进行同样的转化，可以得到：
[0241]
[0242] 利用S-程序将上述公式(即次用户能量捕获约束条件的公式以及主用户的干扰功率约束的公式)转化为线性矩阵不等式的形式。不完美信道状态信息场景下基于有益干扰的鲁棒性波束成形方案最小化次用户基站发送功率优化问题表示如下：
[0243]
[0244]
[0245]
[0246]
[0247]
[0248]
[0249] rank(W1)＝1,rank(W2)＝1.
[0250] 其中，uk，tl为松弛变量。可以采用半正定松弛规划，直接利用凸优化工具箱进行求解。
[0251] 本发明在满足次用户通信质量、次用户捕获能量以及对主用户干扰影响的约束条件下，通过联合优化有益干扰预编码矢量和功率分离比率，最小化次用户基站的发送功率。同时，在不完美信道状态信息条件下，设计了基于有益干扰的鲁棒性预编码方案。
[0252] 本发明在发射端已知完美信道状态信息条件下，建立最小化次用户基站发送功率优化问题；将建立的最小化次用户基站发送功率优化问题转化为SOCP上界和下界优化问题，并求解。另外，本发明在在发射端已知不完美信道状态信息条件下，对利用有益干扰鲁棒性预编码问题进行分析求解。通过两方面均能实现无线携能通信认知网络有益干扰设计。
[0253] 为了验证本发明的性能，考虑QPSK调制方式下有益干扰设计，假设K个次用户的信干噪比约束阈值和能量捕获约束阈值均相等，即γk＝γ，Ek＝E，L个主用户的干扰功率约束阈值均相等，即βl＝β，噪声功率分别为： 所有次用户的能量捕获效率为η＝0.8。不做特殊声明的情况下，假设次用户网络发射天线数与用户数相等，即N＝K＝3,主用户个数L＝2，进行了如下仿真：
[0254] 1、图3在系统中次用户信干噪比阈值γ变化时，仿真对比了利用有益干扰预编码所得到的SOCP上界优化解，SOCP下界优化解与传统发送波束成形设计方案分别对应的次用户基站发送功率。取固定的能量捕获阈值E＝-30dBm,干扰温度阈值β＝-15dBm，仿真分析次用户信干噪比阈值γ在0dB～30dB范围变化时次用户基站发送功率的变化。从图3中可以看出，相比于传统的发送波束成形设计方案，利用有益干扰的预编码设计明显降低了次用户基站发送功率，在次用户接收信干噪比阈值为γ＝15dB时，总的发送功率可以减小大约8dB。同时可以从图3中观察得到，随着接收信干噪比阈值γ的增大，所推出的SOCP上界优化解和SOCP下界优化解渐近一致。
[0255] 2、图4中，系统中次用户能量捕获阈值E变化时，对比了利用有益干扰预编码所得到的SOCP上界优化解、SOCP下界优化解与传统发送波束成形设计方案分别对应的次用户基站发送功率。固定次用户接收信干噪比阈值γ＝10dB，干扰温度阈值β＝-15dBm，仿真分析次用户能量捕获阈值E在-30dBm～0dBm范围变化时次用户基站发送功率的变化。从图4中可以看出，随着次用户能量捕获阈值E的增大，次用户基站发送功率也相应增大，与传统发送波束成形设计方案相比，利用有益干扰的预编码设计可以进一步降低次用户基站发送功率约6dB左右。
[0256] 3、图5分析次用户信干噪比阈值γ、次用户能量捕获阈值E以及主用户干扰功率阈值β的变化，对利用有益干扰预编码所得到的最小化次用户基站发送功率优化问题SOCP上界解产生的影响。从图5中可以看出，当次用户能量捕获约束中的能量阈值E较小时，次用户接收信干噪比阈值γ的变化对次用户基站发送功率影响较大，总发送功率会随着γ的增大而增大，但是，当E较大，即E≥-10dBm时，γ的变化对总发送功率的影响减弱，这就意味着次用户接收信噪比的约束条件对发送功率的影响减弱，因此当E≥-10dBm时，在SOCP解的求解过程中，可以将次用户接收信噪比的约束条件忽略，仅考虑次用户能量捕获约束与主用户干扰功率约束；同时，当γ取值为0～15dB以及E取值为-30dBm左右时，主用户干扰功率阈值β的变化对发送功率的影响比较小，可忽略此约束条件，不过随着γ和E增大，干扰功率阈值的变化对发送功率产生一定的影响，此约束条件就不能被忽略，干扰功率阈值β越小，约束条件越严格，所需要的发送功率越大。
[0257] 4、图6为次用户信干噪比阈值γ＝30dB，能量捕获阈值E＝-30dBm,干扰温度阈值β＝-15dBm，以及主用户信道估计误差εl＝10-4时，分别仿真了在次用户接收机功率分离系数ρ＝0.5，ρ＝0.1和对ρ进行优化后，在完美信道状态信息以及不完美信道状态信息场景中，基于有益干扰的预编码设计对次用户基站发送功率的影响。从图6的仿真结果中可以看出，与完美信道状态信息下的有益干扰预编码方案相比，不完美信道状态信息的方案随着次用户信道估计误差εk的增大，次用户基站发送功率显著增大；相比于ρ＝0.5，当ρ＝0.1时，次用户基站需要更多的发送功率来消除信道估计的不确定性，确保通信质量；同时，对次用户接收机功率分离系数ρ进行优化，与固定ρ相比，可以进一步降低次用户基站的发送功率。
[0258] 考虑多天线次用户基站向单天线次用户接收机同时传输无线信息和能量的场景，次用户采用功率分离接收机结构，建立在满足次用户通信质量、次用户捕获能量以及对主用户干扰影响的约束条件下，最小化次用户基站发送功率的优化问题，联合对基于有益干扰的预编码矢量和次用户接收机功率分离因子进行优化，并利用二阶锥规划相关理论对建立的优化模型进行求解。同时，在不完美信道状态信息条件下，设计了基于有益干扰的鲁棒性预编码方案。通过仿真验证，利用有益干扰的方案比传统的波束成形设计方案在满足相应约束条件下所需要的次用户基站发送功率更小。
[0259] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
