CN107592144B - Eh-mimo能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法及装置 - Google Patents

Eh-mimo能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法及装置 Download PDF

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CN107592144B CN201710758591.2A CN201710758591A CN107592144B CN 107592144 B CN107592144 B CN 107592144B CN 201710758591 A CN201710758591 A CN 201710758591A CN 107592144 B CN107592144 B CN 107592144B
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Abstract

本发明提供一种EH‑MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法及装置，其方法包括：建立源节点至目的节点的非协作连接链路以及建立源节点至中继节点、中继节点至目的节点的协作连接链路；计算在非协作连接链路中源节点的各数据传输天线的总发射功率，并根据源节点的总发射功率计算得到最优能量收集天线集合和最优数据传输天线集合；计算在协作连接链路的中继节点的第一时隙总能量以及第二时隙总能量,再计算中继节点的第二时隙总发射功率，最后来计算最优能量收集天线集合和最优数据传输天线集合。能够分别对MIMO系统中协作与非协作两种传输方式进行最优天线的选择，实现了节点收集能量和利用能量的平衡以及移动MIMO节点工作电力的自给自足。

Description

EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法及 装置
技术领域
本发明主要涉及无线通信技术领域，具体涉及一种EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法及装置。
背景技术
人们对无线网络能量消耗的日益关注以及地球温度的升高促使人们研发能量效率更高的通信技术。从可再生能源如太阳能、风能、热能和射频(radio frequency,RF)能中获得能量的能量收集技术(energy harvesting,EH)技术可以驱动通信设备和网络，为实现绿色通信展现了光明的前景。
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。
EH-MIMO通信系统指采用EH供电的MIMO通信系统。
传统MIMO通信系统的天线选择已经有了很多方法，例如遍历搜索法、递增或递减选择方法、基于神经网络等的选择方法。然而在EH-MIMO通信系统中，有关天线选择的方法鲜见报道，尚处于研究初期。EH技术的应用解决了传统通信系统中因节点移动而无法持续稳定供电的难题，因而具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供一种EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法及装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法，包括如下步骤：
建立源节点至目的节点的非协作连接链路，其中，源节点包括用于收集环境中无线电波能量的多个能量收集天线和用于传输数据的多个数据传输天线；
和/或，建立源节点至中继节点、中继节点至目的节点的协作连接链路，其中，中继节点也包括多个能量收集天线和多个数据传输天线，设第一时隙为所述源节点向中继节点发送数据以及所述中继节点接收数据的过程，设第二时隙为所述中继节点向目的节点发送数据以及所述目的节点接收数据的过程；
计算在非协作连接链路中所述源节点的各数据传输天线的总发射功率，并根据所述源节点的各数据传输天线的总发射功率计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt；以及
计算在协作连接链路的第一时隙中所述中继节点的各能量收集天线收集的第一时隙总能量以及第二时隙中所述中继节点的各能量收集天线收集的第二时隙总能量，并根据所述第一时隙总能量和所述第二时隙总能量计算所述中继节点的第二时隙总发射功率，并根据所述第二时隙总发射功率计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1。
本发明的有益效果是：能够分别对MIMO通信系统中协作与非协作两种传输方式进行最优天线的选择，实现了节点收集能量和利用能量的平衡以及移动MIMO节点工作电力的自给自足，提高系统数据传输效率，符合未来发展绿色通信的要求，具有科学价值和现实意义。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述计算在非协作连接链路中源节点的各数据传输天线的总发射功率，并根据所述源节点的各数据传输天线的总发射功率计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt包括：
所述源节点的各能量收集天线构成能量天线集合Θ，所述源节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合Ω，计算所述数据传输天线集合Ω的总发射功率，并根据所述数据传输天线集合Ω的总发射功率和注水功率算法计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt。
采用上述进一步方案的有益效果是：在非协作传输方式下，利用注水功率算法来计算得到源节点的最优能量收集天线集合和最优数据传输天线集合，能够最大化系统数据传输效率。
进一步，所述计算所述数据传输天线集合Ω的总发射功率包括：
根据公式
Figure BDA0001392739560000031
计算数据传输天线集合Ω的总发射功率，η表示能量转换效率，且0≤η≤1，Pj表示能量天线集合Θ中第j根天线的接收功率，其中j∈Θ，Pth表示能量收集门限。
采用上述进一步方案的有益效果是：对能量天线集合中天线的接收功率进行能量转换效率的求和计算，能够得到源节点的总发射功率。
进一步，根据所述数据传输天线集合Ω的总发射功率和注水功率算法计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt包括：
根据注水功率算法，构建源节点中天线的最优功率分配矩阵K，K为(Ns-L)×(Ns-L)维对角阵，Ns表示源节点天线数目，L表示能量天线集合Θ中的天线数目，且满足tr(K)≤Pt，tr(·)表示求矩阵的迹的运算，Pt表示数据传输天线集合Ω的总发射功率，最优功率分配矩阵K的第i行第i列的元素
Figure BDA0001392739560000032
Figure BDA0001392739560000033
为取0和
Figure BDA0001392739560000034
中的最大值的运算，μ是满足∑iKii＝Pt的约束项，λi是源节点到目的节点链路的Nr×(Ns-L)维信道系数矩阵H的第i个特征值，Nr表示目的节点天线数目，信道系数矩阵H的元素hp,q为源节点的第q根天线到目的节点的第p根天线之间链路的信道系数，1≤p≤Nr，1≤q≤Ns-L；
根据公式
Figure BDA0001392739560000041
计算最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合,其中，
Figure BDA0001392739560000042
表示Nr×Nr维单位矩阵，“*”表示矩阵或矢量的共轭转置，Θopt和Ωopt分别为最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合，
Figure BDA0001392739560000043
表示对于任意的Θ和Ω的组合，取使得括号中的表达式值最大的Θ和Ω的组合的运算。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用注水功率算法，构建最优功率分配矩阵，并对最优功率分配矩阵进行最大化系统数据传输效率的计算，得到最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合。
进一步，所述根据第二时隙总发射功率计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1包括：
在第一时隙中，所述中继节点的各能量收集天线构成能量天线集合α，所述中继节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合β，并计算所述能量天线集合α的第一时隙总功率
Figure BDA0001392739560000044
根据所述第一时隙总功率
Figure BDA0001392739560000045
计算所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1；
在第二时隙中，所述中继节点的各能量收集天线构成能量天线集合Θ1，所述中继节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合Ω1，并计算所述能量天线集合Θ1的第二时隙总功率
Figure BDA0001392739560000046
根据所述第二时隙总功率
Figure BDA0001392739560000047
计算所述能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2；
根据所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1和能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2计算中继节点的第二时隙总发射功率
Figure BDA0001392739560000048
并根据所述第二时隙总发射功率
Figure BDA0001392739560000051
和注水功率算法计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1。
采用上述进一步方案的有益效果是：在中继节点参与协作传输方式下，利用注水功率算法来计算得到中继节点在第二时隙中的最优能量收集天线集合和最优数据传输天线集合，能够最大化系统数据传输效率。
进一步，所述根据第一时隙总功率
Figure BDA0001392739560000052
计算所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1包括：
根据公式
Figure BDA0001392739560000053
计算中继节点的能量天线集合α的第一时隙总功率，其中，η表示能量转换效率，且0≤η≤1，
Figure BDA0001392739560000059
表示能量天线集合α中第j1根天线的接收功率，Pth表示能量收集门限；
再根据公式
Figure BDA0001392739560000054
计算所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1，其中，T表示时隙长度。
采用上述进一步方案的有益效果是：在第一时隙中，对中继节点能量天线集合α中天线的接收功率进行能量转换效率的求和计算，能够得到中继节点的能量天线集合α的第一时隙总功率，以及计算得到第一时隙的能量天线集合收集到的能量。
进一步，所述根据第二时隙总功率
Figure BDA0001392739560000055
计算所述能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2包括：
根据公式
Figure BDA0001392739560000056
计算中继节点的能量天线集合Θ1的第二时隙总功率，其中，η表示能量转换效率，且0≤η≤1，
Figure BDA0001392739560000057
表示能量天线集合Θ1中第j2根天线的接收功率，Pth表示能量收集门限；
再根据公式
Figure BDA0001392739560000058
计算所述能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2，其中，T表示时隙长度。
采用上述进一步方案的有益效果是：在第二时隙中，对中继节点能量天线集合Θ1中天线的接收功率进行能量转换效率的求和计算，能够得到中继节点的能量天线集合Θ1的第二时隙总功率，以及计算得到第二时隙的能量天线集合收集到的能量。
进一步，所述根据能量天线集合α中的天线收集总能量E1和能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2计算中继节点可用的第二时隙总发射功率
Figure BDA00013927395600000611
包括：
将所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1和能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2的总和除以时隙长度T，即
Figure BDA00013927395600000612
得到中继节点的第二时隙总发射功率
Figure BDA00013927395600000613
进一步，所述根据第二时隙总发射功率
Figure BDA00013927395600000614
和注水功率算法计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1包括：
根据注水功率算法，构建中继节点中天线的最优功率分配矩阵K1，K1为(Nt-L1)×(Nt-L1)维对角阵，Nt表示中继节点天线数目，L1表示能量天线集合Θ1中的天线数目，且满足
Figure BDA0001392739560000061
tr(·)表示求矩阵的迹的运算，
Figure BDA0001392739560000062
表示中继节点的第二时隙总发射功率，最优功率分配矩阵K1的第i行第i列的元素
Figure BDA0001392739560000063
Figure BDA0001392739560000064
为取0和
Figure BDA0001392739560000065
中的最大值的运算，μ1是满足
Figure BDA0001392739560000066
的约束项，λi1是中继节点到目的节点链路的Nr×(Nt-L1)维信道系数矩阵H1的第i个特征值，Nr表示目的节点天线数目，信道系数矩阵H1的元素
Figure BDA0001392739560000067
为中继节点的第q1根天线到目的节点的第p1根天线之间链路的信道系数，1≤p1≤Nr，1≤q1≤Nt-L1；
利用公式
Figure BDA0001392739560000068
计算最优中继节点能量天线集合和最优中继节点数据天线集合,其中，
Figure BDA0001392739560000069
表示Nr×Nr维单位矩阵，“*”表示矩阵或矢量的共轭转置，Θopt1和Ωopt1分别为最优中继节点能量天线集合和最优中继节点数据天线集合，
Figure BDA00013927395600000610
为对于任意的Θ1和Ω1的组合，取使得括号中的表达式值最大的Θ1和Ω1的组合的运算。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用注水功率算法，构建最优功率分配矩阵，并对最优功率分配矩阵进行最大化系统数据传输效率的计算，得到最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择装置，包括：
链路建立模块，用于建立源节点至目的节点的非协作连接链路，其中，源节点包括用于收集环境中无线电波能量的多个能量收集天线和用于传输数据的多个数据传输天线；
还用于建立源节点至中继节点、中继节点至目的节点的协作连接链路，其中，中继节点也包括多个能量收集天线和多个数据传输天线，设第一时隙为所述源节点向中继节点发送数据以及所述中继节点接收数据的过程，设第二时隙为所述中继节点向目的节点发送数据以及所述目的节点接收数据的过程；
处理模块，用于计算在非协作连接链路中所述源节点的各数据传输天线的总发射功率，并根据所述源节点的各数据传输天线的总发射功率计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt；
还用于计算在协作连接链路的第一时隙中所述中继节点的各能量收集天线收集的第一时隙总能量以及第二时隙中所述中继节点的各能量收集天线收集的第二时隙总能量，并根据所述第一时隙总能量和所述第二时隙总能量计算所述中继节点的第二时隙总发射功率，并根据所述第二时隙总发射功率计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的节点天线选择装置的模块框图；
图2为本发明另一实施例提供的节点天线选择装置的模块框图；
图3为本发明另一实施例提供的节点天线选择装置的模块框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明实施例提供了一种EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法，包括如下步骤：
建立源节点至目的节点的非协作连接链路，其中，源节点包括用于收集环境中无线电波能量的多个能量收集天线和用于传输数据的多个数据传输天线；
和/或，建立源节点至中继节点、中继节点至目的节点的协作连接链路，其中，中继节点也包括多个能量收集天线和多个数据传输天线，设第一时隙为所述源节点向中继节点发送数据以及所述中继节点接收数据的过程，设第二时隙为所述中继节点向目的节点发送数据以及所述目的节点接收数据的过程；
计算在非协作连接链路中所述源节点的各数据传输天线的总发射功率，并根据所述源节点的各数据传输天线的总发射功率计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt；以及
计算在协作连接链路的第一时隙中所述中继节点的各能量收集天线收集的第一时隙总能量以及第二时隙中所述中继节点的各能量收集天线收集的第二时隙总能量，并根据所述第一时隙总能量和所述第二时隙总能量计算所述中继节点的第二时隙总发射功率，并根据所述第二时隙总发射功率计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1。
上述实施例中，能够分别对MIMO通信系统中协作与非协作两种传输方式进行最优天线的选择，实现了节点收集能量和利用能量的平衡以及移动MIMO节点工作电力的自给自足，提高系统数据传输效率，符合未来发展绿色通信的要求，具有科学价值和现实意义。
可选地，作为本发明的一个实施例，所述计算在非协作连接链路中源节点的各数据传输天线的总发射功率，并根据所述源节点的各数据传输天线的总发射功率计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt包括：
所述源节点的各能量收集天线构成能量天线集合Θ，所述源节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合Ω，计算所述数据传输天线集合Ω的总发射功率，并根据所述数据传输天线集合Ω的总发射功率和注水功率算法计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt。
应理解的，源节点为EH供电节点，目的节点通过反馈信道将所需的信道状态信息反馈到源节点。
上述实施例中，在非协作传输方式下，利用注水功率算法来计算得到源节点的最优能量收集天线集合和最优数据传输天线集合，能够最大化系统数据传输效率。
可选地，作为本发明的一个实施例，所述计算所述数据传输天线集合Ω的总发射功率包括：
根据公式
Figure BDA0001392739560000091
计算数据传输天线集合Ω的总发射功率，η表示能量转换效率，且0≤η≤1，Pj表示能量天线集合Θ中第j根天线的接收功率，其中j∈Θ，Pth表示能量收集门限。
上述实施例中，对能量天线集合中天线的接收功率进行能量转换效率的求和计算，能够得到源节点的总发射功率。
可选地，作为本发明的一个实施例，根据所述数据传输天线集合Ω的总发射功率和注水功率算法计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt包括：
根据注水功率算法，构建源节点中天线的最优功率分配矩阵K，K为(Ns-L)×(Ns-L)维对角阵，Ns表示源节点天线数目，L表示能量天线集合Θ中的天线数目，且满足tr(K)≤Pt，tr(·)表示求矩阵的迹的运算，Pt表示数据传输天线集合Ω的总发射功率，最优功率分配矩阵K的第i行第i列的元素
Figure BDA0001392739560000101
Figure BDA0001392739560000102
为取0和
Figure BDA0001392739560000103
中的最大值的运算，μ是满足∑iKii＝Pt的约束项，λi是源节点到目的节点链路的Nr×(Ns-L)维信道系数矩阵H的第i个特征值，Nr表示目的节点天线数目，信道系数矩阵H的元素hp,q为源节点的第q根天线到目的节点的第p根天线之间链路的信道系数，1≤p≤Nr，1≤q≤Ns-L；
根据公式
Figure BDA0001392739560000104
计算最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合,其中，
Figure BDA0001392739560000105
表示Nr×Nr维单位矩阵，“*”表示矩阵或矢量的共轭转置，Θopt和Ωopt分别为最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合，
Figure BDA0001392739560000106
表示对于任意的Θ和Ω的组合，取使得括号中的表达式值最大的Θ和Ω的组合的运算。
上述实施例中，利用注水功率算法，构建最优功率分配矩阵，并对最优功率分配矩阵进行最大化系统数据传输效率的计算，得到最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合。
可选地，作为本发明的一个实施例，所述根据第二时隙总发射功率计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1包括：
在第一时隙中，所述中继节点的各能量收集天线构成能量天线集合α，所述中继节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合β，并计算所述能量天线集合α的第一时隙总功率
Figure BDA0001392739560000111
根据所述第一时隙总功率
Figure BDA0001392739560000112
计算所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1；
在第二时隙中，所述中继节点的各能量收集天线构成能量天线集合Θ1，所述中继节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合Ω1，并计算所述能量天线集合Θ1的第二时隙总功率
Figure BDA0001392739560000113
根据所述第二时隙总功率
Figure BDA0001392739560000114
计算所述能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2；
根据所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1和能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2计算中继节点的第二时隙总发射功率
Figure BDA0001392739560000115
并所述根据第二时隙总发射功率
Figure BDA0001392739560000116
和注水功率算法计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1。
应理解的，源节点为电网供电或者电网与EH混合供电，中继节点为EH供电，目的节点通过反馈信道将所需的信道状态信息反馈到中继节点。
上述实施例中，在中继节点参与协作传输方式下，利用注水功率算法来计算得到中继节点在第二时隙中的最优能量收集天线集合和最优数据传输天线集合，能够最大化系统数据传输效率。
可选地，作为本发明的一个实施例，所述根据第一时隙总功率
Figure BDA0001392739560000117
计算所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1包括：
根据公式
Figure BDA0001392739560000118
计算中继节点的能量天线集合α的第一时隙总功率，其中，η表示能量转换效率，且0≤η≤1，
Figure BDA00013927395600001110
表示能量天线集合α中第j1根天线的接收功率，Pth表示能量收集门限；
再根据公式
Figure BDA0001392739560000119
计算所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1，其中，T表示时隙长度。
上述实施例中，在第一时隙中，对中继节点能量天线集合α中天线的接收功率进行能量转换效率的求和计算，能够得到中继节点的能量天线集合α的第一时隙总功率，以及计算得到第一时隙的能量天线集合收集到的能量。
可选地，作为本发明的一个实施例，所述根据第二时隙总功率
Figure BDA0001392739560000121
计算所述能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2包括：
根据公式
Figure BDA0001392739560000122
计算中继节点的能量天线集合Θ1的第二时隙总功率，其中，η表示能量转换效率，且0≤η≤1，
Figure BDA0001392739560000123
表示能量天线集合Θ1中第j2根天线的接收功率，Pth表示能量收集门限；
再根据公式
Figure BDA0001392739560000124
计算所述能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2，其中，T表示时隙长度。
上述实施例中，在第二时隙中，对中继节点能量天线集合Θ1中天线的接收功率进行能量转换效率的求和计算，能够得到中继节点的能量天线集合Θ1的第二时隙总功率，以及计算得到第二时隙的能量天线集合收集到的能量。
可选地，作为本发明的一个实施例，根据所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1和能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2计算中继节点的第二时隙总发射功率
Figure BDA0001392739560000125
包括：
将所述天线收集总能量E1和天线收集总能量E2的总和除以时隙长度T，即
Figure BDA0001392739560000126
得到中继节点的第二时隙总发射功率
Figure BDA0001392739560000127
可选地，作为本发明的一个实施例，所述根据第二时隙总发射功率
Figure BDA0001392739560000128
和注水功率算法计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1包括：
根据注水功率算法，构建中继节点中天线的最优功率分配矩阵K1，K1为(Nt-L1)×(Nt-L1)维对角阵，Nt表示中继节点天线数目，L1表示能量天线集合Θ1中的天线数目，且满足
Figure BDA0001392739560000129
tr(·)表示求矩阵的迹的运算，
Figure BDA00013927395600001210
表示中继节点的第二时隙总发射功率，最优功率分配矩阵K1的第i行第i列的元素
Figure BDA00013927395600001211
Figure BDA00013927395600001212
为取0和
Figure BDA00013927395600001213
中的最大值的运算，μ1是满足
Figure BDA0001392739560000131
的约束项，λi1是中继节点到目的节点链路的Nr×(Nt-L1)维信道系数矩阵H1的第i个特征值，Nr表示目的节点天线数目，信道系数矩阵H1的元素
Figure BDA0001392739560000132
为中继节点的第q1根天线到目的节点的第p1根天线之间链路的信道系数，1≤p1≤Nr，1≤q1≤Nt-L1；
利用公式
Figure BDA0001392739560000133
计算最优中继节点能量天线集合和最优中继节点数据天线集合,其中，
Figure BDA0001392739560000134
表示Nr×Nr维单位矩阵，“*”表示矩阵或矢量的共轭转置，Θopt1和Ωopt1分别为最优中继节点能量天线集合和最优中继节点数据天线集合，
Figure BDA0001392739560000135
为对于任意的Θ1和Ω1的组合，取使得括号中的表达式值最大的Θ1和Ω1的组合的运算。
上述实施例中，利用注水功率算法，构建最优功率分配矩阵，并对最优功率分配矩阵进行最大化系统数据传输效率的计算，得到最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合。
图1为本发明一实施例提供的节点天线选择装置的模块框图；
可选地，作为本发明的另一个实施例，如图1所示，一种EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择装置，包括：
链路建立模块，用于建立源节点至目的节点的非协作连接链路，其中，源节点包括用于收集环境中无线电波能量的多个能量收集天线和用于传输数据的多个数据传输天线；
还用于建立源节点至中继节点、中继节点至目的节点的协作连接链路，其中，中继节点也包括多个能量收集天线和多个数据传输天线，设第一时隙为所述源节点向中继节点发送数据以及所述中继节点接收数据的过程，设第二时隙为所述中继节点向目的节点发送数据以及所述目的节点接收数据的过程；
处理模块，用于计算在非协作连接链路中所述源节点的各数据传输天线的总发射功率，并根据所述源节点的各数据传输天线的总发射功率计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt；
还用于计算在协作连接链路的第一时隙中所述中继节点的各能量收集天线收集的第一时隙总能量以及第二时隙中所述中继节点的各能量收集天线收集的第二时隙总能量，并根据所述第一时隙总能量和所述第二时隙总能量计算所述中继节点的第二时隙总发射功率，并根据所述第二时隙总发射功率计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1。
图2为本发明另一实施例提供的节点天线选择装置的模块框图；
可选地，作为本发明的一个实施例，在图1的基础上，如图2所示，所述处理模块包括第一计算单元，所述第一计算单元用于，所述源节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合Ω，计算所述数据传输天线集合Ω的总发射功率，并根据所述数据传输天线集合Ω的总发射功率和注水功率算法计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt。
可选地，作为本发明的一个实施例，所述第一计算单元具体包括：
根据公式
Figure BDA0001392739560000141
计算数据传输天线集合Ω的总发射功率，η表示能量转换效率，且0≤η≤1，Pj表示能量天线集合Θ中第j根天线的接收功率，其中j∈Θ，Pth表示能量收集门限。
可选地，作为本发明的一个实施例，所述第一计算单元还具体包括：
根据注水功率算法，构建源节点中天线的最优功率分配矩阵K，K为(Ns-L)×(Ns-L)维对角阵，Ns表示源节点天线数目，L表示能量天线集合Θ中的天线数目，且满足tr(K)≤Pt，tr(·)表示求矩阵的迹的运算，Pt表示数据传输天线集合Ω的总发射功率，最优功率分配矩阵K的第i行第i列的元素
Figure BDA0001392739560000142
Figure BDA0001392739560000143
为取0和
Figure BDA0001392739560000144
中的最大值的运算，μ是满足∑iKii＝Pt的约束项，λi是源节点到目的节点链路的Nr×(Ns-L)维信道系数矩阵H的第i个特征值，Nr表示目的节点天线数目，信道系数矩阵H的元素hp,q为源节点的第q根天线到目的节点的第p根天线之间链路的信道系数，1≤p≤Nr，1≤q≤Ns-L；
根据公式
Figure BDA0001392739560000151
计算最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合,其中，
Figure BDA0001392739560000152
表示Nr×Nr维单位矩阵，“*”表示矩阵或矢量的共轭转置，Θopt和Ωopt分别为最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合，
Figure BDA0001392739560000153
表示对于任意的Θ和Ω的组合，取使得括号中的表达式值最大的Θ和Ω的组合的运算。
图3为本发明另一实施例提供的节点天线选择装置的模块框图；
可选地，作为本发明的一个实施例，如图3所示，所述处理模块包括第二计算单元，所述第二计算单元用于，在第一时隙中，所述中继节点的各能量收集天线构成能量天线集合α，所述中继节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合β，并计算所述能量天线集合α的第一时隙总功率
Figure BDA0001392739560000154
根据所述第一时隙总功率
Figure BDA0001392739560000155
计算所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1；
在第二时隙中，所述中继节点的各能量收集天线构成能量天线集合Θ1，所述中继节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合Ω1，并计算所述能量天线集合Θ1的第二时隙总功率
Figure BDA0001392739560000156
根据所述第二时隙总功率
Figure BDA0001392739560000157
计算所述能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2；
根据所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1和能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2计算中继节点的第二时隙总发射功率
Figure BDA0001392739560000158
并根据所述第二时隙总发射功率
Figure BDA0001392739560000159
和注水功率算法计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1。
可选地，作为本发明的一个实施例，所述第二计算单元具体包括：
根据公式
Figure BDA0001392739560000161
计算中继节点的能量天线集合α的第一时隙总功率，其中，η表示能量转换效率，且0≤η≤1，
Figure BDA00013927395600001615
表示能量天线集合α中第j1根天线的接收功率，Pth表示能量收集门限；
再根据公式
Figure BDA0001392739560000162
计算所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1，其中，T表示时隙长度。
可选地，作为本发明的一个实施例，所述第二计算单元具体包括：
根据公式
Figure BDA0001392739560000163
计算中继节点的能量天线集合Θ1的第二时隙总功率，其中，η表示能量转换效率，且0≤η≤1，
Figure BDA0001392739560000164
表示能量天线集合Θ1中第j2根天线的接收功率，Pth表示能量收集门限；
再根据公式
Figure BDA0001392739560000165
计算所述能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2，其中，T表示时隙长度。
可选地，作为本发明的一个实施例，所述第二计算单元还具体包括：
根据所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1和能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2的总和除以时隙长度T，即
Figure BDA0001392739560000166
得到中继节点的第二时隙总发射功率
Figure BDA0001392739560000167
可选地，作为本发明的一个实施例，所述第二计算单元还具体包括：
根据注水功率算法，构建中继节点中天线的最优功率分配矩阵K1，K1为(Nt-L1)×(Nt-L1)维对角阵，Nt表示中继节点天线数目，L1表示能量天线集合Θ1中的天线数目，且满足
Figure BDA0001392739560000168
tr(·)表示求矩阵的迹的运算，
Figure BDA0001392739560000169
表示中继节点的第二时隙总发射功率，最优功率分配矩阵K1的第i行第i列的元素
Figure BDA00013927395600001610
Figure BDA00013927395600001611
为取0和
Figure BDA00013927395600001612
中的最大值的运算，μ1是满足
Figure BDA00013927395600001613
的约束项，λi1是中继节点到目的节点链路的Nr×(Nt-L1)维信道系数矩阵H1的第i个特征值，Nr表示目的节点天线数目，信道系数矩阵H1的元素
Figure BDA00013927395600001614
为中继节点的第q1根天线到目的节点的第p1根天线之间链路的信道系数，1≤p1≤Nr，1≤q1≤Nt-L1；
利用公式
Figure BDA0001392739560000171
计算最优中继节点能量天线集合和最优中继节点数据天线集合,其中，
Figure BDA0001392739560000172
表示Nr×Nr维单位矩阵，“*”表示矩阵或矢量的共轭转置，Θopt1和Ωopt1分别为最优中继节点能量天线集合和最优中继节点数据天线集合，
Figure BDA0001392739560000173
为对于任意的Θ1和Ω1的组合，取使得括号中的表达式值最大的Θ1和Ω1的组合的运算。
本发明能够分别对MIMO通信系统中协作与非协作两种传输方式进行最优天线的选择，并利用注水功率算法最大化系统数据传输效率，实现了节点收集能量和利用能量的平衡以及移动MIMO节点工作电力的自给自足，提高系统数据传输效率，符合未来发展绿色通信的要求，具有科学价值和现实意义，还具有广泛的适应性，并且通过合理地假设可以进一步降低计算复杂度，应用价值高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立源节点至目的节点的非协作连接链路，其中，源节点包括用于收集环境中无线电波能量的多个能量收集天线和用于传输数据的多个数据传输天线；
和/或，建立源节点至中继节点、中继节点至目的节点的协作连接链路，其中，中继节点也包括多个能量收集天线和多个数据传输天线，设第一时隙为所述源节点向中继节点发送数据以及所述中继节点接收数据的过程，设第二时隙为所述中继节点向目的节点发送数据以及所述目的节点接收数据的过程；
计算在非协作连接链路中所述源节点的各数据传输天线的总发射功率，并根据所述源节点的各数据传输天线的总发射功率计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt，包括：所述源节点的各能量收集天线构成能量天线集合Θ，所述源节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合Ω，计算所述数据传输天线集合Ω的总发射功率，
根据注水功率算法，构建源节点中天线的最优功率分配矩阵K，K为(Ns-L)×(Ns-L)维对角阵，Ns表示源节点天线数目，L表示能量天线集合Θ中的天线数目，且满足tr(K)≤Pt，tr(·)表示求矩阵的迹的运算，Pt表示数据传输天线集合Ω的总发射功率，最优功率分配矩阵K的第i行第i列的元素
Figure FDA0002445355470000011
Figure FDA0002445355470000012
为取0和
Figure FDA0002445355470000013
中的最大值的运算，μ是满足∑iKii＝Pt的约束项，λi是源节点到目的节点链路的Nr×(Ns-L)维信道系数矩阵H的第i个特征值，Nr表示目的节点天线数目，信道系数矩阵H的元素hp,q为源节点的第q根天线到目的节点的第p根天线之间链路的信道系数，1≤p≤Nr，1≤q≤Ns-L；
根据公式
Figure FDA0002445355470000021
计算最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合,其中，
Figure FDA0002445355470000029
表示Nr×Nr维单位矩阵，“*”表示矩阵或矢量的共轭转置，Θopt和Ωopt分别为最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合，
Figure FDA0002445355470000022
表示对于任意的Θ和Ω的组合，取使得括号中的表达式值最大的Θ和Ω的组合的运算；以及
计算在协作连接链路的第一时隙中所述中继节点的各能量收集天线收集的第一时隙总能量以及第二时隙中所述中继节点的各能量收集天线收集的第二时隙总能量，并根据所述第一时隙总能量和所述第二时隙总能量计算所述中继节点的第二时隙总发射功率，并根据所述第二时隙总发射功率计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1，包括：
在第一时隙中，所述中继节点的各能量收集天线构成能量天线集合α，所述中继节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合β，并计算所述能量天线集合α的第一时隙总功率
Figure FDA0002445355470000024
，根据所述第一时隙总功率
Figure FDA0002445355470000024
计算所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1；
在第二时隙中，所述中继节点的各能量收集天线构成能量天线集合Θ1，所述中继节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合Ω1，并计算所述能量天线集合Θ1的第二时隙总功率
Figure FDA0002445355470000026
，根据所述第二时隙总功率
Figure FDA0002445355470000026
计算所述能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2；
根据所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1和能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2计算中继节点的第二时隙总发射功率
Figure FDA0002445355470000028
，并根据所述第二时隙总发射功率
Figure FDA0002445355470000028
和注水功率算法计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1，
根据注水功率算法，构建中继节点中天线的最优功率分配矩阵K1，K1为(Nt-L1)×(Nt-L1)维对角阵，Nt表示中继节点天线数目，L1表示能量天线集合Θ1中的天线数目，且满足
Figure FDA0002445355470000031
tr(·)表示求矩阵的迹的运算，
Figure FDA0002445355470000032
表示中继节点的第二时隙总发射功率，最优功率分配矩阵K1的第i行第i列的元素
Figure FDA0002445355470000033
Figure FDA0002445355470000034
为取0和
Figure FDA0002445355470000035
中的最大值的运算，μ1是满足
Figure FDA0002445355470000036
的约束项，λi1是中继节点到目的节点链路的Nr×(Nt-L1)维信道系数矩阵H1的第i个特征值，Nr表示目的节点天线数目，信道系数矩阵H1的元素
Figure FDA0002445355470000037
为中继节点的第q1根天线到目的节点的第p1根天线之间链路的信道系数，1≤p1≤Nr，1≤q1≤Nt-L1；
利用公式
Figure FDA0002445355470000038
计算最优中继节点能量天线集合和最优中继节点数据天线集合,其中，
Figure FDA0002445355470000039
表示Nr×Nr维单位矩阵，“*”表示矩阵或矢量的共轭转置，Θopt1和Ωopt1分别为最优中继节点能量天线集合和最优中继节点数据天线集合，
Figure FDA00024453554700000310
为对于任意的Θ1和Ω1的组合，取使得括号中的表达式值最大的Θ1和Ω1的组合的运算。
2.根据权利要求1所述的EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法，其特征在于，所述计算所述数据传输天线集合Ω的总发射功率包括：
根据公式
Figure FDA00024453554700000311
计算数据传输天线集合Ω的总发射功率，η表示能量转换效率，且0≤η≤1，Pj表示能量天线集合Θ中第j根天线的接收功率，其中j∈Θ，Pth表示能量收集门限。
3.根据权利要求1所述的EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法，其特征在于，所述根据第一时隙总功率
Figure FDA00024453554700000312
计算所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1包括：
根据公式
Figure FDA00024453554700000313
计算中继节点的能量天线集合α的第一时隙总功率，其中，η表示能量转换效率，且0≤η≤1，
Figure FDA00024453554700000314
表示能量天线集合α中第j1根天线的接收功率，Pth表示能量收集门限；
再根据公式
Figure FDA0002445355470000041
计算所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1，其中，T表示时隙长度。
4.根据权利要求1所述的EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法，其特征在于，所述根据第二时隙总功率
Figure FDA0002445355470000042
计算所述能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2包括：
根据公式
Figure FDA0002445355470000043
计算中继节点的能量天线集合Θ1的第二时隙总功率，其中，η表示能量转换效率，且0≤η≤1，
Figure FDA0002445355470000044
表示能量天线集合Θ1中第j2根天线的接收功率，Pth表示能量收集门限；
再根据公式
Figure FDA0002445355470000045
计算所述能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2，其中，T表示时隙长度。
5.根据权利要求1所述的EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择方法，其特征在于，所述根据所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1和能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2计算中继节点的第二时隙总发射功率
Figure FDA0002445355470000046
包括：
将所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1和能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2的总和除以时隙长度T，即
Figure FDA0002445355470000047
得到中继节点的第二时隙总发射功率
Figure FDA0002445355470000046
。
6.一种EH-MIMO能量收集及多天线通信系统的节点天线选择装置，其特征在于，包括：
链路建立模块，用于建立源节点至目的节点的非协作连接链路，其中，源节点包括用于收集环境中无线电波能量的多个能量收集天线和用于传输数据的多个数据传输天线；
还用于建立源节点至中继节点、中继节点至目的节点的协作连接链路，其中，中继节点也包括多个能量收集天线和多个数据传输天线，设第一时隙为所述源节点向中继节点发送数据以及所述中继节点接收数据的过程，设第二时隙为所述中继节点向目的节点发送数据以及所述目的节点接收数据的过程；
处理模块，用于计算在非协作连接链路中所述源节点的各数据传输天线的总发射功率，并根据所述源节点的各数据传输天线的总发射功率计算得到源节点的最优能量收集天线集合Θopt和最优数据传输天线集合Ωopt，包括：所述源节点的各能量收集天线构成能量天线集合Θ，所述源节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合Ω，计算所述数据传输天线集合Ω的总发射功率，
根据注水功率算法，构建源节点中天线的最优功率分配矩阵K，K为(Ns-L)×(Ns-L)维对角阵，Ns表示源节点天线数目，L表示能量天线集合Θ中的天线数目，且满足tr(K)≤Pt，tr(·)表示求矩阵的迹的运算，Pt表示数据传输天线集合Ω的总发射功率，最优功率分配矩阵K的第i行第i列的元素
Figure FDA0002445355470000051
Figure FDA0002445355470000052
为取0和
Figure FDA0002445355470000053
中的最大值的运算，μ是满足∑iKii＝Pt的约束项，λi是源节点到目的节点链路的Nr×(Ns-L)维信道系数矩阵H的第i个特征值，Nr表示目的节点天线数目，信道系数矩阵H的元素hp,q为源节点的第q根天线到目的节点的第p根天线之间链路的信道系数，1≤p≤Nr，1≤q≤Ns-L；
根据公式
Figure FDA0002445355470000054
计算最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合,其中，
Figure FDA0002445355470000056
表示Nr×Nr维单位矩阵，“*”表示矩阵或矢量的共轭转置，Θopt和Ωopt分别为最优源节点能量天线集合和最优源节点数据天线集合，
Figure FDA0002445355470000055
表示对于任意的Θ和Ω的组合，取使得括号中的表达式值最大的Θ和Ω的组合的运算；
还用于计算在协作连接链路的第一时隙中所述中继节点的各能量收集天线收集的第一时隙总能量以及第二时隙中所述中继节点的各能量收集天线收集的第二时隙总能量，并根据所述第一时隙总能量和所述第二时隙总能量计算所述中继节点的第二时隙总发射功率，并根据所述第二时隙总发射功率计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1，包括：
在第一时隙中，所述中继节点的各能量收集天线构成能量天线集合α，所述中继节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合β，并计算所述能量天线集合α的第一时隙总功率
Figure FDA0002445355470000062
，根据所述第一时隙总功率
Figure FDA0002445355470000062
计算所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1；
在第二时隙中，所述中继节点的各能量收集天线构成能量天线集合Θ1，所述中继节点的各数据传输天线构成数据传输天线集合Ω1，并计算所述能量天线集合Θ1的第二时隙总功率
Figure FDA0002445355470000064
，根据所述第二时隙总功率
Figure FDA0002445355470000064
计算所述能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2；
根据所述能量天线集合α中的天线收集总能量E1和能量天线集合Θ1中的天线收集总能量E2计算中继节点的第二时隙总发射功率
Figure FDA0002445355470000066
，并根据所述第二时隙总发射功率
Figure FDA0002445355470000066
和注水功率算法计算得到中继节点的最优能量收集天线集合Θopt1和最优数据传输天线集合Ωopt1，
根据注水功率算法，构建中继节点中天线的最优功率分配矩阵K1，K1为(Nt-L1)×(Nt-L1)维对角阵，Nt表示中继节点天线数目，L1表示能量天线集合Θ1中的天线数目，且满足
Figure FDA0002445355470000067
tr(·)表示求矩阵的迹的运算，
Figure FDA0002445355470000068
表示中继节点的第二时隙总发射功率，最优功率分配矩阵K1的第i行第i列的元素
Figure FDA0002445355470000069
Figure FDA00024453554700000610
为取0和
Figure FDA00024453554700000611
中的最大值的运算，μ1是满足
Figure FDA00024453554700000612
的约束项，λi1是中继节点到目的节点链路的Nr×(Nt-L1)维信道系数矩阵H1的第i个特征值，Nr表示目的节点天线数目，信道系数矩阵H1的元素
Figure FDA00024453554700000613
为中继节点的第q1根天线到目的节点的第p1根天线之间链路的信道系数，1≤p1≤Nr，1≤q1≤Nt-L1；
利用公式
Figure FDA00024453554700000614
计算最优中继节点能量天线集合和最优中继节点数据天线集合,其中，
Figure FDA0002445355470000071
表示Nr×Nr维单位矩阵，“*”表示矩阵或矢量的共轭转置，Θopt1和Ωopt1分别为最优中继节点能量天线集合和最优中继节点数据天线集合，
Figure FDA0002445355470000072
为对于任意的Θ1和Ω1的组合，取使得括号中的表达式值最大的Θ1和Ω1的组合的运算。
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