CN108173579A - 无线供能mimo中继系统中的功率分配方法及无线供能mimo中继系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法及无线供能MIMO中继系统。所述无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法包括：将所述无线供能MIMO中继系统的第一信道矩阵及第二信道矩阵进行分解，以得到第一信道矩阵对应的第一对角矩阵和第二信道矩阵对应的第二对角矩阵；使用第一对角矩阵及第二对角矩阵表示所述源节点与所述中继节点中传输信息对应的第二预编码矩阵及中继节点与所述目的节点中传输信息对应的第三预编码矩阵，得到第二预编码矩阵对应的第一影响因子和得到第三预编码矩阵对应的第二影响因子；计算所述第一影响因子及第二影响因子，以通过所述第一影响因子及第二影响因子对所述无线供能MIMO中继系统的功率进行分配。

Description

无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法及无线供能MIMO中 继系统

技术领域

本发明涉及数据传输技术领域，具体而言，涉及一种无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法及无线供能MIMO中继系统。

背景技术

无线传感网络(WSN)在智能交通和环境监测中有许多成功的应用。然而，WSN是由有限寿命电池供电的能量约束网络。虽然更换电池可以延长WSN的寿命，但是会存在与之俱来的高额花销。此外在很多情况中，由于物理环境的约束，更换电池是很难以实现的。比方说，有时候传感器是被嵌入建筑结构中甚至是在人体内。

因此，WSN中能量采集(EH)是极具吸引力的，也就是说能量可以从外部环境中获得。常见的EH技术主要依赖自然资源(如太阳能、风能)，但存在着能量难以控制的局限性。因此，这些技术在实际应用中难以实现。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法及无线供能MIMO中继系统。

本发明实施例提供的一种无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法，应用于无线供能MIMO中继系统，所述无线供能MIMO中继系统包括：源节点、中继节点及目的节点；所述无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法包括：

将所述无线供能MIMO中继系统的源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵进行分解，以得到第一信道矩阵对应的第一对角矩阵；

将所述无线供能MIMO中继系统中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵进行分解，以得到第二信道矩阵对应的第二对角矩阵；

使用第一对角矩阵及第二对角矩阵表示所述源节点与所述中继节点中传输信息对应的第二预编码矩阵，得到第二预编码矩阵对应的第一影响因子；

使用第一对角矩阵及第二对角矩阵表示所述中继节点与所述目的节点中传输信息对应的第三预编码矩阵，得到第三预编码矩阵对应的第二影响因子；

根据第一影响因子及第二影响因子得到所述第一影响因子及第二影响因子计算得到的优化公式；

将所述优化公式中的第一影响因子及第二影响因子使用约束因子表示，得到所述约束因子对应的影响公式；

根据所述影响公式与源节点的标称功率的关系计算得到所述优化约束因子，以通过所述优化约束因子对所述无线供能MIMO中继系统的功率进行分配。

本发明实施例还提供一种无线供能MIMO中继系统，所述无线供能MIMO中继系统包括：源节点、中继节点及目的节点；所述无线供能MIMO中继系统按照上述的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法分配功率。

与现有技术相比，本发明实施例的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法及无线供能MIMO中继系统，通过由源节点传输能量给中继节点可以避免现有技术中的中继节点可能采集不到自然能源而导致不能正常工作的可能；另外，通过设置所述第一信道矩阵和第二信道矩阵对所述源节点的能量传输、信息传输以及中继节点对信息的传输进行功率分配，可以使无线供能MIMO中继系统的能量最合理的利用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明较佳实施例提供的无线供能MIMO中继系统的示意图。

图2为本发明较佳实施例提供的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法的流程图。

图3为本发明较佳实施例提供的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法的步骤S106的详细流程示意图。

图4为本发明较佳实施例提供的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法的步骤S107的详细流程示意图。

图5为本发明较佳实施例提供的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法中时间切换因子计算方法的详细流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请实施例为了克服传统EH技术的局限性，因此需要一种新的无线信息能量同步传输(SWIET)的技术替换之前的自然能源的采集技术。通过SWIET技术，无线电频率(RF)信号可以不仅只是传输信息也可以用来传输能量，从而对WSN和移动用户提供了良好的便利性。与现有依靠自然资源的EH技术相比，SWEIT技术是一种更具前景和可靠性的选择。

本申请实施例提供一种无线供能MIMO中继系统，如图1所示，所述无线供能MIMO中继系统包括源节点100、中继节点200及目的节点300。所述源节点100在中继节点200的帮助下将信息传递至目的节点300。源节点100安装有天线N_s。中继节点200安装有天线N_r。目的节点安装有天线N_d。本申请实施例中源节点100存在自供能源，所述中继节点200接收源节点100通过的RF传输的能量供能。具体地，在单个通信周期中含有两个阶段。在源阶段，携带能量和承载信息的信号从源节点100传输至中继节点200。在中继阶段，中继节点200接收到的信息信号被线性预编码并传输至目的节点300。

本实施例中采用时间切换协议用于在源节点阶段的能量采集和信息传输。在本实施例中的协议中，单个通信周期的全部时间T被分成三个时间间隔。在第一个时间间隔中，能量从源节点100传输至中继节点200共花费持续时间αT，其中，0<α<1表示时间切换因子(TS因子)。在第二个时间间隔中，信息信号从源节点100传输至中继节点200需花费时间(1-α)T/2。在中继节点接收到的信息信号传输至目的节点需花费时间为(1-α)T/2。为了便于展示，此后T均设为T＝1。

在第一个时间间隔中，N₁×1的携带能量信号向量s₁(t)在源节点被预编码为N_s×N₁的第一预编码矩阵B₁并传输至中继节点200。假设其中E{·}表示统计期望，I_n表示n×n的单位矩阵，(·)^H表示厄密共轭转置。在中继节点接收到的信号向量可写为：

y_r(t)＝HB₁s₁(t)+v_r(t),0≤t≤α；

其中，H是一个N_r×N_s的在源和中继节点之间的MIMO第一信道矩阵，y_r(t)和v_r(t)分别为在中继节点200的接收信号和高斯噪声向量。在中继节点200采集到v_r(t)的RF能量与接收到的信号成比例关系，可写为下式：

其中tr(·)表示矩阵的迹，0≤η≤1为能量转换效率，与[2]相似，我们将之设为η＝1。

在第二个时间间隔中，一N₂×1承载信息信号向量s₂(t)在源节点被预编码为N_s×N₂的第二预编码矩阵B₂并传输至中继节点，其中在中继节点接收到信号向量可表示为：

y_r(t)＝HB₂s₂(t)+v_r(t),0≤t≤(1+α)/2；

最后，在第三个时间间隔中，中继节点200将y_r(t)线性预编码为N_r×N_r的第三预编码矩阵F并传输预编码过的信号向量至目的节点。其中信号向量可表示为：

X_r(t)＝Fy_r(t-(1-α)/2),(1+α)/2≤t≤1。

目的节点300接收到的信号向量可被写为：

y_r(t)＝Gx_r(t)+v_d(t)

＝GFHB₂s₂(t-(1-α)/2)+GFv_r(t-(1-α)/2)+v_d(t)，(1+α)/2≤t≤1；

其中，G是一个N_d×N_s在中继和目的节点之间的MIMO第二信道矩阵，y_d(t)和v_d(t)分别为目的节点300接收到的信号和附加的高斯噪声向量。

另外，源节点100和目的节点300之间的交互信息可表示为：

其中，|·|和(·)^-1分别表示矩阵行列式和矩阵的逆。

本实施例中，所述第一信道矩阵H和第二信道矩阵G为二次统计型，且在中继节点200可知。所有噪声假设为带有0均值和单位方差的附加高斯白噪声(AWGN)。在一个实例中，可以假设在源节点100和中继节点200无传输功率浪费，N₂≤min(rank(H),rank(G))，且rank(F)＝rank(B₂)＝N₂，其中rank(·)表示矩阵的秩。

从源节点用于传输s₁(t)和s₂(t)的能量分别为和

因此，源节点100的能量损耗约束可表示为：

其中，P_s为源节点可100获得的标称功率。在其它实例中，假设的源节点传输能量与信息的不变功率为：

可以看出，在同样的α下，(a)与(b)有相同的源节点100能量损耗。然而，(b)是(a)的一种特殊情况且(a)的可行域是大于(b)的。事实上，(a)中的源预编码矩阵B₁和B₂通过一能量约束联系起来。这使得源节点可以在不同功率等级上适用于在第一时间间隔的能量传输和第二时间间隔的信息传输目的，同时相比(b)更具灵活性。因此，基于(a)设计的收发器可拥有相比(b)更优的性能。

根据上述第一个时间间隔和第三个时间间隔中的公式可以得到，中继节点上用于传输x_r(t)至目的节点300的能量损耗可表示为：

基于上述公式，中继节点200上的能量损耗约束可以表示为：

综上所述，基于上述多个公式对于线性非再生无线供能MIMO中继系统的收发器优化问题可表示为：

进一步地可得：

请参阅图2，是本发明较佳实施例提供的应用于图1所示的无线供能MIMO中继系统的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法的流程图。下面将对图2所示的具体流程进行详细阐述。

步骤S101，将所述无线供能MIMO中继系统的源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵进行分解，以得到第一信道矩阵对应的第一对角矩阵。

本实施例中，根据上述表示无线供能MIMO中继系统的收发器优化问题的公式进行处理，将所述无线供能MIMO中继系统的源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵进行奇异值分解，分解表达式表示如下：

其中，V_h表示所述第一对角矩阵；H表示第一信道矩阵。

步骤S102，将所述无线供能MIMO中继系统中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵进行分解，以得到第二信道矩阵对应的第二对角矩阵。

本实施例中，将所述无线供能MIMO中继系统中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵进行奇异值分解，分解表达式表示如下：

其中，V_g表示第二对角矩阵；G表示第二信道矩阵。

步骤S103，使用第一对角矩阵及第二对角矩阵表示所述源节点与所述中继节点中传输信息对应的第二预编码矩阵，得到第二预编码矩阵对应的第一影响因子。

本实施例中，通过以下公式表示所述第二预编码矩阵：

其中，Λ₂表示所述第一影响因子；V_h,1为V_h的第一列，V_h表示第一对角矩阵；表示第二预编码矩阵的优化的初始公式。

步骤S104，使用第一对角矩阵及第二对角矩阵表示所述中继节点与所述目的节点中传输信息对应的第三预编码矩阵，得到第三预编码矩阵对应的第二影响因子。

本实施例中，通过以下公式表示所述第三预编码矩阵：

其中，Λ_f表示第二影响因子；V_g,1包含了V_g最左边的N₂列；U_h,1包含了U_h最左边的N₂列；V_g表示第二对角矩阵；U_h表示第一信道矩阵的一分解因子。

本实施例中，第一预编码矩阵可表示为：

其中，b₁为一正定标量，v_h,1为V_h的第一列。

本实施例中，从表达式可以看到最优B₁是一个对应向量v_h,1。这表示了为了最大化中继节点采集到的能量，所有在源节点的传输功率需要被分配给相当于第一时间间隔中H的最大奇异值的信道。因此，我们只需要优化b₁和B₁，而且第一时间间隔源的传输功率为

将第一预编码矩阵、第一预编码矩阵及第三预编码矩阵的表达式代入无线供能MIMO中继系统的收发器优化问题对应的表达式中功率分配问题可转化为：

其中，0<α<1，λ_f,i≥0，λ_2,i≥0，i＝1,2,3...,N₂。

其中λ_h,i和h_g,i分别表示Λ_h和Λ_g中第i个对角元素。通过引入z_i＝λ_f,i(λ_h,iλ_2,i+1)，上述功率分配问题可以转化为如下表达式：

进一步可得：

其中，0<α<1，λ_2,i≥0，z_i≥0，i＝1,2,3...,N₂，

对于任意b₁，最大化功率转化问题中最优z需满足也就是：

使用上述功率分配问题可被等价重表达为：

由此可得：

其中，0<α<1，λ_2,i≥0，z_i≥0，i＝1,2,3...,N₂。

进一步地，通过引入a_i＝λ_h,i，b_i＝λ_g,iλ_h,1，x_i＝λ_2,i，y_i＝z_i/λ_h,1，i＝1,…,N₂，功率分配问题可表示为：

进一步可得：

其中，0<α<1，x_i≥0，y_i≥0，i＝1,2,3...,N₂，X＝[x₁,…,x_N2]^T，Y＝[y₁,…,y_N2]^T，X表示第一变量集；Y表示第二变量集。本实施例中，通过引入a_i＝λ_h,i，b_i＝λ_g,iλ_h,1，x_i＝λ_2,i，y_i＝z_i/λ_h,1将其在功率分配问题函数有着关于X和Y良好的对称结构。

本实施例中，当时间切换因子确定的情况下，所述无线供能MIMO中继系统的收发器优化问题可表示为：

进一步可得：

其中，x_i≥0，y_i≥0，i＝1,2,3...,N₂。

步骤S105，根据第一影响因子及第二影响因子得到所述第一影响因子及第二影响因子计算得到的优化公式。

本实施例中，所述步骤S105包括：将所述第一影响因子作为第一变量集X，将第一影响因子、第二影响因子及第一对角矩阵计算形成第二变量集Y；

所述优化公式可表示为：

其中，X＝[x₁,…,x_N2]^T；Y＝[y₁,…,y_N2]^T；a_i表示第一对角矩阵中第i个对角元素；b_i表示第一对角矩阵中第i个对角元素与第二对角矩阵的第i个对角元素的乘积。

步骤S106，将所述优化公式中的第一影响因子及第二影响因子使用约束因子表示，得到所述约束因子对应的影响公式。

步骤S107，根据所述影响公式与源节点的标称功率的关系计算得到所述优化约束因子，以通过所述优化约束因子对所述无线供能MIMO中继系统的功率进行分配。

本实施例中，如图3所示，步骤S106包括：步骤S1061和步骤S1062。

步骤S1061，所述第一变量集中的元素与第二变量集中的对应位置的元素之和形成所述约束因子。

本实施例中，所述约束因子可表示为：p_i＝x_i+y_i，

其中，y_i≥0，x_i≥0。

步骤S1062，使用约束因子表示所述影响公式。

所述影响公式表示为：

在一种实施方式中，将步骤S1061及S1062的N₂次级问题通过非负p_i与约束相联系。基于和x_i≥0的一阶最优性条件，我们得到了问题步骤S1061和步骤S1062中的公式中x_i的封闭解为：

由y_i＝p_i-x_i，最优y_i为：

根据最优x_i和最优y_i可以得到：

本实施例中可以在此引入：

其中(40)是通过将(37)中x_i和(38)中y_i代入(39)获得的。在(31)-(33)中优化x和y的主问题可被改写为下式功率分配问题为：

本实施例中，如图4所示，所述步骤S107包括：步骤S1071至步骤S1075。

步骤S1071，根据所述影响公式与源节点的标称功率的关系可以得到表达式。

具体表示如下：

其中，p_i＝y_i+x_i，p_i≥0，i＝1,2,3,...,N₂；

步骤S1072，引入拉格朗日乘子可以得到计算公式。

所述计算公式表示如下：

其中，μ≥0表示拉格朗日乘子；Pα表示在α的作用下的源节点的标称功率，α表示时间切换因子。

步骤S1073，对所述计算公式进行求导数，可以得到关于拉格朗日乘子的等式。

所述于拉格朗日乘子的等式表示如下：

步骤S1074，根据上述关于拉格朗日乘子的等式计算优化得到拉格朗日乘子。

步骤S1075，根据所述最优拉格朗日乘子计算得到优化约束因子，以通过所述优化约束因子对所述无线供能MIMO中继系统的功率进行分配。

本实施例中，使用上述的算法计算得到优化约束因子，以对所述无线供能MIMO中继系统的功率进行分配，分配问题可以表示为：进一步降可以的得到：其中为约束因子的最优解。

本实施例中，所述步骤S1074包括：

对所述引入拉格朗日乘子可以得到计算公式进行求导可得到求导计算公式：

根据上述求导得到的公式得到以下拉格朗日乘子函数：

S1，计算拉格朗日乘子的最大值，令拉格朗日乘子最小值为预设值；

S2，计算得到所述拉格朗日乘子的最大值与拉格朗日乘子最小值的均值，并将该均值代入求导计算公式计算得到约束因子；

S3，通过对约束因子取值范围区间的二分法搜索得到决断约束因子，当所述决断约束因子小于α的作用下的源节点的标称功率时，将当前拉格朗日乘子的均值的作为拉格朗日乘子的最大值；当所述决断约束因子大于α的作用下的源节点的标称功率时，将当前拉格朗日乘子的均值的作为拉格朗日乘子的最小值；

重复步骤S1至步骤S3直到拉格朗日乘子的最大值与拉格朗日乘子最小值之差小于预设值。

下面进行详细描述：

对于每个等式中i有：

μ(p_i,a_i,b_i)是对于p_i≥0的单峰函数，且对于a_i≥0和b_i≥0单调递增。

由上式可得：μ(p_i＝0)＝μ(p_i＝∞)＝0。进一步地，函数μ(p_i,a_i,b_i)以得对于任意p,μ的值随着次级频道序列i(i＝1对应最强的空间次级频道并拥有最大的(a_i,b_i)，同时i＝3是最弱的次级频道并拥有最小的(a_i,b_i))降低，也就是μ是关于a_i和b_i的单调递增函数。

详细地，μ可以被视为“注水线”，也就是其需要满足约束与此同时，对于一个给定的μ，考虑到f_i(p_i)随p_i递减，两个根中更大的根(右侧根)应该被选择用来最小化

由于μ是关于a_i和b_i的单调递增函数，对于每个μ，第i个问题的解的值随着i不断减小，例如，和也就是为了最大化无线供能MIMO中继系统的功率应该被分配给更强(更大的(a_i,b_i))的次级频道。

当中的P_α足够大时，那么全部的三个次级频道都有非0的功率。这种情况的一种实例相当于下的注水线μ₁。当可获得的功率P_α对于全部三个次级频道不足时，根据注水原则，最弱的次级频道无法获得功率分配。这种情况可用μ₂表示，其第三个次级频道为0功率且

基于上述讨论，通过上述步骤S1074中的详细描述了可有效解决问题和的算法。进一步地，步骤S1074中的算法可以有两个阶段：初始化阶段和主阶段。在初始化阶段，确立非零功率分配的次级通道集合L＝[1,…,L](L≤N₂)。主阶段，我们获得最优μ和p_i,i＝1,…,L其通过一个基于μ在p_i>p_min,i时关于p_i单调递减够贱的双回路二分搜索来满足和其中p_min, ⁱ为对应每个次级频道中最大的μ的p_i。其中主阶段的描述如上述步骤S1至步骤S3所述。

下面对所述初始化阶段进行描述，所述初始化阶段如下：

在I中确定μ(p_i)的最大点(p_min,i,μ_max,i)，其中I＝[1,…,N₂]；

如果p_min,i≥Pα，将i从I中移除；

设置μ_max＝min_i∈I{μ_max,i}，求解中的p_i；

令μ＝μ_max；

循环上述步骤，直到i∈I p_i≤Pα初始化阶段结束。

本发明实施例的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法，通过由源节点传输能量给中继节点可以避免现有技术中的中继节点可能采集不到自然能源而导致不能正常工作的可能；另外，通过设置所述第一信道矩阵和第二信道矩阵对所述源节点的能量传输、信息传输以及中继节点对信息的传输进行功率分配，可以使无线供能MIMO中继系统的能量最合理的利用。

在其它实施例中，可以通过以下方式计算所述时间切换因子α。

所述时间切换因子α包括第一切换因子α_u及第二切换因子α_l，所述方法可基于黄金分割搜索法计算求得所述系统对应的时间切换因子在满足上述能量约束条件下的最优第一切换因子及最优第二切换因子。

其中计算最优时间切换因此可通过以下步骤实现。

步骤S21，初始化第一切换因子和第二切换因子。

步骤S22，计算得到最优第一切换因子和最优第二切换因子。所述最优第一切换因子和最优第二切换因子之差小于预设的正数。

步骤S23，根据最优第一切换因子和最优第二切换因子计算得到最优时间切换因子。

其中所述方法可通过如下类似逻辑流程求得所述最优第一切换因子及最优第二切换因子：

初始化α_l＝0andα_l＝1；

当|α_u-α_l|>ε；

则执行定义d1＝(δ-1)α_l+(2-δ)α_u and d2＝(2-δ)α_l+(δ-1)α_u；

基于α＝d1求解得到及c*，并基于α＝d1计算F(d1)；

基于α＝d2求解得到及c*，并基于α＝d2计算F(d2)；

如果F(d1)<F(d2)则使α_u＝d2；

否则使α_l＝d1；流程结束，其中α^*＝(α_u+α_l)/2。

其中，ε为接近于0的正常数，δ等于1.618，(·)*表示最优值，||·||表示向量欧几里得范数，λ_b和c分别为第一预编码矩阵和第二预编码矩阵的用于优化的正定标量，v_h,1和v_g,1分别为第一信道矩阵的奇异值分解中V_h的第一列和第二信道矩阵的奇异值分解中V_g的第一列，上述代码中的最后两个等式便可分别表征第一预编码矩阵与第一信道矩阵之间的联系，及第二预编码矩阵与第二信道矩阵之间的联系，其中函数F(α)可用下式进行表示：

可以理解的是，上述代码程序仅为本发明实施例的一种实施方式，不应被看作是对本发明保护范围的限定，本发明还可采取与上述代码程序类似的程序求得所述系统的最优第一切换因子及最优第二切换因子。将最优的所述第一切换因子及所述第二切换因子进行平均运算，得到最优的所述时间切换因子。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法，其特征在于，应用于无线供能MIMO中继系统，所述无线供能MIMO中继系统包括：源节点、中继节点及目的节点；所述无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法包括：

将所述无线供能MIMO中继系统的源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵进行分解，以得到第一信道矩阵对应的第一对角矩阵；

将所述无线供能MIMO中继系统中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵进行分解，以得到第二信道矩阵对应的第二对角矩阵；

使用第一对角矩阵及第二对角矩阵表示所述源节点与所述中继节点中传输信息对应的第二预编码矩阵，得到第二预编码矩阵对应的第一影响因子；

使用第一对角矩阵及第二对角矩阵表示所述中继节点与所述目的节点中传输信息对应的第三预编码矩阵，得到第三预编码矩阵对应的第二影响因子；

根据第一影响因子及第二影响因子得到所述第一影响因子及第二影响因子计算得到的优化公式；

将所述优化公式中的第一影响因子及第二影响因子使用约束因子表示，得到所述约束因子对应的影响公式；

根据所述影响公式与源节点的标称功率的关系计算得到所述优化约束因子，以通过所述优化约束因子对所述无线供能MIMO中继系统的功率进行分配。

2.如权利要求1所述的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法，其特征在于，所述根据第一影响因子及第二影响因子得到所述第一影响因子及第二影响因子计算得到的优化公式的步骤包括：

将所述第一影响因子作为第一变量集X，将第一影响因子、第二影响因子及第一对角矩阵计算形成第二变量集Y；

所述优化公式可表示为：

其中，X＝[x₁,…,x_N2]^T；Y＝[y₁,…,y_N2]^T；a_i表示第一对角矩阵中第i个对角元素；b_i表示第一对角矩阵中第i个对角元素与第二对角矩阵的第i个对角元素的乘积。

3.如权利要求2所述的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法，其特征在于，将所述优化公式中的第一影响因子及第二影响因子使用约束因子表示，得到所述约束因子对应的影响公式的步骤包括：

所述第一变量集中的元素与第二变量集中的对应位置的元素之和形成所述约束因子；

所述影响公式表示为：

其中，p_i表示约束因子中的第i个元素。

4.如权利要求3所述的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法，其特征在于，所述根据所述影响公式与源节点的标称功率的关系计算得到所述优化约束因子，以通过所述优化约束因子对所述无线供能MIMO中继系统的功率进行分配的步骤包括：

根据所述影响公式与源节点的标称功率的关系得到表达式为：

其中，p_i＝y_i+x_i，p_i≥0，i＝1,2,3,...,N₂，Pα表示在α的作用下的源节点的标称功率，α表示时间切换因子；

引入拉格朗日乘子得到计算公式：

其中，μ≥0表示拉格朗日乘子；

对所述计算公式进行求导数后进行变形，得到关于拉格朗日乘子的等式：

根据上述关于拉格朗日乘子的等式计算优化得到拉格朗日乘子；

根据所述最优拉格朗日乘子计算得到优化约束因子，以通过所述优化约束因子对所述无线供能MIMO中继系统的功率进行分配。

5.如权利要求1所述的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法，其特征在于，所述根据上述关于拉格朗日乘子的等式计算优化得到拉格朗日乘子的步骤包括：

对所述引入拉格朗日乘子得到计算公式进行求导可得到求导计算公式：

根据上述求导得到的公式得到以下拉格朗日乘子函数：

S1，计算拉格朗日乘子的最大值，令拉格朗日乘子最小值为预设值；

S2，计算得到所述拉格朗日乘子的最大值与拉格朗日乘子最小值的均值，并将该均值代入求导计算公式计算得到约束因子；

S3，通过对约束因子取值范围区间的二分法搜索得到决断约束因子，当所述决断约束因子小于α的作用下的源节点的标称功率时，将当前拉格朗日乘子的均值的作为拉格朗日乘子的最大值；当所述决断约束因子大于α的作用下的源节点的标称功率时，将当前拉格朗日乘子的均值的作为拉格朗日乘子的最小值；

重复步骤S1至步骤S3直到拉格朗日乘子的最大值与拉格朗日乘子最小值之差小于预设值。

6.如权利要求1所述的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法，其特征在于，所述使用第一对角矩阵及第二对角矩阵表示所述源节点与所述中继节点中传输信息对应的第二预编码矩阵，得到第二预编码矩阵对应的第一影响因子的步骤包括：

通过以下公式表示所述第二预编码矩阵：

其中，Λ₂表示所述第一影响因子；V_h,1为V_h的第一列，V_h表示第一对角矩阵；表示第二预编码矩阵的优化的初始公式。

7.如权利要求1所述的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法，其特征在于，所述使用第一对角矩阵及第二对角矩阵表示所述中继节点与所述目的节点中传输信息对应的第三预编码矩阵，得到第三预编码矩阵对应的第二影响因子的步骤包括：

通过以下公式表示所述第三预编码矩阵：

其中，Λ_f表示第二影响因子；V_g,1包含了V_g最左边的N₂列；U_h,1包含了U_h最左边的N₂列；V_g表示第二对角矩阵；U_h表示第一信道矩阵的一分解因子。

8.如权利要求1所述的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法，其特征在于，所述将所述无线供能MIMO中继系统的源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵进行分解，以得到第一信道矩阵对应的第一对角矩阵的步骤包括：

将所述无线供能MIMO中继系统的源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵进行奇异值分解，分解表达式表示如下：

其中，V_h表示所述第一对角矩阵；H表示第一信道矩阵。

9.如权利要求1所述的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法，其特征在于，所述将所述无线供能MIMO中继系统中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵进行分解，以得到第二信道矩阵对应的第二对角矩阵的步骤包括：

将所述无线供能MIMO中继系统中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵进行奇异值分解，分解表达式表示如下：

其中，V_g表示第二对角矩阵；G表示第二信道矩阵。

10.一种无线供能MIMO中继系统，其特征在于，所述无线供能MIMO中继系统包括：源节点、中继节点及目的节点；所述无线供能MIMO中继系统按照权利要求1-9任意一项所述的无线供能MIMO中继系统中的功率分配方法分配功率。