CN108512579B - 基于eh-mimo通信系统的天线选择方法 - Google Patents

基于eh-mimo通信系统的天线选择方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108512579B
CN108512579B CN201810211096.4A CN201810211096A CN108512579B CN 108512579 B CN108512579 B CN 108512579B CN 201810211096 A CN201810211096 A CN 201810211096A CN 108512579 B CN108512579 B CN 108512579B
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
antennas
node
data
source node
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201810211096.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108512579A (zh
Inventor
王晖
李非
肖琨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangxi Normal University
Original Assignee
Guangxi Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangxi Normal University filed Critical Guangxi Normal University
Priority to CN201810211096.4A priority Critical patent/CN108512579B/zh
Publication of CN108512579A publication Critical patent/CN108512579A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108512579B publication Critical patent/CN108512579B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/80—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the exchange of data, concerning supply or distribution of electric power, between transmitting devices and receiving devices
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0619—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal using feedback from receiving side
    • H04B7/0621—Feedback content
    • H04B7/0626—Channel coefficients, e.g. channel state information [CSI]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于EH‑MIMO通信系统的天线选择方法，所述方法分别从非协作和协作两个场景出发，提供了在源节点的多根天线中选择部分天线分别进行能量收集和数据传输的遍历最优算法。为了降低算法的复杂度，进一步提供了递增选择天线和递减选择天线的次优天线选择算法。本发明可以有效利用收集的能量进行数据传输，达到降低实现复杂度、优化能源利用、改善系统性能的多重目标。

Description

基于EH-MIMO通信系统的天线选择方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及非协作和协作EH-MIMO通信系统的天线选择方法。
背景技术
MIMO技术(Multiple-Input Multiple-Output)在发射端和接收端使用多根发射天线和接收天线，能充分利用空间资源，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成倍的提高系统信道容量。能量收集(energy harvesting,EH)技术为无线网络的驱动提供了可再生能源，缓解了绿色无线网络的能源瓶颈问题。将通过EH技术收集能量并以此作为系统工作电源的MIMO通信系统称为EH-MIMO通信系统。
在EH-MIMO通信系统中有关天线选择的方法，现有文献记载的如应用无线信息和功率传输(SWIPT)模式的天线选择算法，由于受到无线能量传递过程和收集条件的约束，在信息和能量同时传输时，需要考虑能量和信息的功率分配比例、时间因子和功率分流因子的优化问题等，计算复杂并且算法实施难度高。
发明内容
本发明分别从非协作和协作两个场景出发，提供了在源节点的多根天线中选择部分天线分别进行能量收集和数据传输的遍历最优算法；为了降低算法的复杂度，进一步提供了递增选择天线和递减选择天线的次优天线选择算法。本发明可以有效利用收集的能量进行数据传输，达到降低实现复杂度、优化能源利用、改善系统性能的多重目标。
非协作场景下，在源节点的多根天线中各选择部分天线形成天线组合，分别用于能量收集和数据传输；用于能量收集的天线数目为L，构成能量天线集合，其余天线用于数据传输，构成数据天线集合；通过遍历搜索法，把能量与数据天线集合的所有组合表示出来，计算相应的信道容量，对应于最大信道容量的天线组合即为最优方案。
为减少计算量，还提供一种低复杂度的递增算法和递减算法用于天线选择。
递增算法：第一次遍历选择1根天线的所有情况，找出对信道容量贡献最大的一根天线，放入所选源节点数据天线集合Ω中；接着在剩下的天线中找出对信道容量贡献最大的一根并放入所选源节点数据天线集合Ω中，以此类推，直至选择出Ns-L根天线。然后，计算此时能量天线集合中的L根天线收集的能量，依据注水功率算法，得到最优的功率分配矩阵，计算相应的信道容量。
递减算法：第一次遍历选择1根天线的所有情况，找出对信道容量贡献最小的一根天线，删除该天线；接着在剩下的天线中找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，以此类推，直至剩余Ns-L根天线；计算此时能量天线集合中的L根天线对应收集的能量，然后依据注水功率算法，得到最优的功率分配矩阵，计算相应的信道容量。
协作场景下，一次协作过程分成两个时隙，在第一时隙，源节点利用所选择的数据天线向中继节点发送数据，该数据天线由在该时隙中由其选择的能量天线收集的能量供电，并且中继节点使用其选择的数据天线接收数据，该数据天线由其在该时隙中选择的能量天线收集的能量供电。在第二时隙，中继节点使用其选择的数据天线将数据转发到目的节点，该数据天线由该时隙中选择的能量天线收集的能量供电。分别在源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上，通过遍历搜索法，把能量与数据天线集合中形成的所有天线组合表示出来，计算相应的信道容量，对应于最大信道容量的天线组合即为最优方案。另外，分别在源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上，通过低复杂度的递增算法和递减算法，可以得到次优的天线选择方案。
具体实施方式
情形一：非协作EH-MIMO通信系统中的天线选择算法。
无线EH-MIMO非协作通信系统的模型由配置多根天线的EH型源节点S和电池型目的节点D组成，目的节点通常是较弱的用户终端，因此假定它没有EH能力。源节点的天线数目为Ns，目的节点的天线数目为Nr。EH型节点仅由节点的能量收集天线从周围环境的RF信号收集的能量供电，电池型节点仅由节点的电池中存储的能量供电。源节点用于能量收集的天线构成源节点能量天线集合Θ，Θ中的天线数目为L，其余天线用于数据传输，用于数据传输的天线构成源节点数据天线集合Ω，Θ和Ω为非空的集合；源节点和目的节点天线之间的信道都是准静态平稳衰落独立同分布复高斯信道。
假设目的节点已知信道状态信息(CSI)而源节点未知，目的节点通过反馈信道将所需的CSI反馈至源节点，为了使系统信道容量最大化，目的节点通过注水功率算法获得最优功率分配矩阵并且反馈至源节点；时隙的长度为T，在每一个时隙中，源节点能量天线集合Θ中的天线收集周围环境中的无线电波能量。为简单起见，假设一个时隙内收集的能量全部用于该时隙的数据传输，令Pj为能量收集过程中源节点能量天线集合Θ中的第j根天线的接收功率，则源节点数据天线集合Ω中的天线可用的总发射功率为
Figure BDA0001597255640000031
Pth为能量有效收集门限，η为能量转换效率，η∈(0,1]。
基于信道容量最大化准则，结合Foschini和Telatar的MIMO信道容量的结果，所要解决的EH-MIMO非协作网络中数据和能量天线选择问题可以表示为
Figure BDA0001597255640000032
其中，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 BDA0001597255640000033
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；
Figure BDA0001597255640000036
是Nr×Nr维单位矩阵，“*”表示矩阵或矢量的共轭转置。源节点到目的节点链路的最优功率分配矩阵K是(Ns-L)×(Ns-L)维对角阵，满足tr(K)≤Pt，tr(·)表示求矩阵的迹的运算。通过注水功率算法计算最优功率分配矩阵K，其中
Figure BDA0001597255640000034
Figure BDA0001597255640000035
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。信道系数矩阵H服从均值为0，方差为1的复高斯分布，信道系数矩阵元素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，满足1≤p≤Nr，1≤q≤Ns-L。
A.最优遍历天线选择算法。
由于源节点天线数目的有限性，可以通过遍历搜索法，把能量和数据天线集合的所有组合表示出来，计算最大的信道容量，找到所述优化问题的最优解。具体而言，第一次遍历选择1根天线的所有情况，第二次遍历选择2根天线的所有情况，以此类推，直至Ns-1根天线。计算每种情况下天线组合的信道容量，最后，对应于最大信道容量的天线组合即为最优化问题的解决方案。
在给定的源节点发射天线数Ns下，对源节点的天线进行能量天线和数据天线的选择，选取其中L根天线放入能量天线集合Θ中，而剩余的Ns-L根天线放入数据天线集合Ω中，共有
Figure BDA0001597255640000041
种天线集合，其中
Figure BDA0001597255640000042
为二项式系数。由于L可为1到Ns-1间的任何一个整数，此时天线集合总数为
Figure BDA0001597255640000043
具体算法如下：
(1)初始化L＝1。
(2)将L根天线分配到源节点能量天线集合Θ中并分别确定源节点能量天线集合Θ与源节点数据天线集合Ω中的天线数量。
(3)对于每个天线组合，计算源节点数据天线集合Ω中的天线可用的总发射功率Pt。
(4)依据所述总发射功率和注水功率算法计算源节点到目的节点链路的最优功率分配矩阵K，由数学式
Figure BDA0001597255640000044
遍历所有天线组合并计算相应的信道容量。
(5)令L＝L+1，如果L＜Ns,转步骤(2)，否则转下一步骤。
(6)选择出最大信道容量对应的天线组合。
从遍历天线选择算法的实现过程可以看出，由于其对所有的天线集合都进行了遍历，因此找出的天线集合一定是最优的；但是，该算法的缺点也是显而易见的，即算法的计算量过大，并且随着天线数目的增加，计算量成指数规律增加。由此可见,遍历天线选择算法虽然能够得到最优的天线选择结果,但是复杂度过于高，实用性和实时性较差，难以适应杂多变的无线信道环境。
B.低复杂度的天线选择方案。
能量天线集合的构成决定了能量收集的多少，然后决定了数据天线的发射功率，同时决定了功率分配矩阵K，进而影响系统信道容量的大小。因此，不同的天线选择策略会提供了不同的系统性能。针对遍历算法存在的问题,引入两种低复杂度的次优算法，即递减算法和递增算法,来减少计算量和复杂度从而实现算法实用性和实时性的提高。
与遍历的天线选择算法不同的是，在给定的源节点发射天线数Ns下，递增的天线算法每次选择信道矩阵H中对信道容量贡献最大的一行，选取对应的天线。具体来说，第一次遍历选择1根天线的所有情况，找出对信道容量贡献最大的一根，放入所选数据天线集合中；接着在剩下的天线中找出对信道容量贡献最大的一根并放入所选数据天线集合中，以此类推，直至选择出L根天线。然后，计算此时所选数据天线集合中的L根天线收集的能量，依据注水功率算法，得到最优的功率分配矩阵，计算相应的信道容量。
类似的，递减的天线算法每次选择信道矩阵H中对信道容量贡献最小的一行，并删除对应的天线。具体来说，第一次遍历选择1根天线的所有情况，找出对信道容量贡献最小的一根，删除该天线；接着在剩下的天线中找出对信道容量贡献最小的一根并删除，以此类推，直至剩余L根天线。计算此时L根天线集合对应收集的能量，然后依据注水功率算法，得到最优的功率分配矩阵，计算相应的信道容量。具体算法如下：
非协作递增算法：
步骤一、从源节点分别拿一根天线作为数据天线，其它源节点天线作为能量天线，利用公式
Figure BDA0001597255640000051
计算出相应的信道容量，选取最大容量对应的天线为第一根数据天线。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA0001597255640000052
是Nr×Nr维单位矩阵。源节点数据天线集合的天线数目为M，源节点到目的节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA0001597255640000053
Figure BDA0001597255640000054
为对角阵元素，
Figure BDA0001597255640000055
其中，μ(I)是满足
Figure BDA0001597255640000056
的约束项，Pt为能量集合收集能量过程中可用于源节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA0001597255640000057
是源节点到目的节点链路Nr×M维信道系数矩阵H(I)的第i个特征值，信道系数矩阵H(I)服从均值为0，方差为1的复高斯分布。信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000061
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA0001597255640000062
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，满足1≤p≤Nr，1≤q≤M。
步骤二、从源节点除第一根数据天线外的天线中，分别拿一根天线，跟已经选好的第一根数据天线一起作为数据天线，其它源节点天线为能量天线，利用公式
Figure BDA0001597255640000063
计算相应的信道容量，选取最大容量对应的那两根天线为所选的源节点数据天线。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA0001597255640000064
是Nr×Nr维单位矩阵。此时，源节点到目的节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA0001597255640000065
Figure BDA00015972556400000615
Figure BDA0001597255640000066
为对角阵元素，
Figure BDA0001597255640000067
其中，
Figure BDA0001597255640000068
是满足
Figure BDA0001597255640000069
的约束项，Pt为能量集合收集能量过程中可用于源节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA00015972556400000610
是源节点到目的节点链路的Nr×M维信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400000611
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400000612
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。此时，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400000613
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA00015972556400000614
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，满足1≤p≤Nr，1≤q≤M。
依次类推，直到选出要求根数的源节点数据天线。
非协作递减算法：
步骤一、从源节点分别拿一根天线作为数据天线，其它源节点天线作为能量天线，利用公式
Figure BDA0001597255640000071
计算出相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线放入源节点数据天线集合。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA0001597255640000072
是Nr×Nr维单位矩阵。源节点数据天线集合的天线数目为M，源节点到目的节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA0001597255640000073
Figure BDA0001597255640000074
为对角阵元素，
Figure BDA0001597255640000075
其中，μ(R)是满足
Figure BDA0001597255640000076
的约束项，Pt为能量集合收集能量过程中可用于数据集合的总发射功率，
Figure BDA0001597255640000077
是源节点到目的节点链路Nr×M维信道系数矩阵H(R)的第i个特征值，信道系数矩阵H(R)服从均值为0，方差为1的复高斯分布。信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000078
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA0001597255640000079
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，满足1≤p≤Nr，1≤q≤M。
步骤二、从源节点剩余数据天线中，分别拿一根天线作为数据天线，其它天线为源节点能量天线，利用公式
Figure BDA00015972556400000710
计算相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线再次放入源节点数据天线集合中。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA00015972556400000711
是Nr×Nr维单位矩阵。此时，源节点到目的节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA00015972556400000712
Figure BDA00015972556400000713
为对角阵元素，
Figure BDA00015972556400000714
其中，
Figure BDA00015972556400000715
是满足
Figure BDA00015972556400000716
的约束项，Pt为能量集合收集能量过程中可用于数据集合的总发射功率，
Figure BDA00015972556400000717
是源节点到目的节点链路的Nr×M维信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000081
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000082
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。。此时，信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000083
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA0001597255640000084
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，满足1≤p≤Nr，1≤q≤M。
依次类推，直到选出要求根数的源节点数据天线。
情形二:协作EH-MIMO通信系统中的天线选择算法。
无线EH-MIMO协作通信系统的模型由配置多根天线的EH型源节点、EH型中继节点和电池型目的节点组成；源节点的天线数目为Ns，中继节点的天线数目为Nt，目的节点天线数目为Nr。一个时隙的长度为T，一次协作过程分成两个时隙，在第一个时隙中，源节点利用所选择的数据天线向中继节点发送数据，该数据天线由在该时隙中由其选择的能量天线收集的能量供电，并且中继节点使用其选择的数据天线接收数据，该数据天线由其在这个时隙中选择的能量天线收集的能量供电。
在第二个时隙中，中继节点使用其选择的数据天线将数据转发到目的节点，该数据天线由在第二时隙中由其选择的能量天线收集的能量供电，并且目的节点接收数据。为了简单起见，假设在时隙中收集的所有能量都被消耗用于该时隙中的数据传输和接收。假设所有信道都是准静态平稳衰落独立同分布复高斯信道。在第一个时隙中，中继节点已知信道状态信息(CSI)而源节点未知，中继节点通过反馈信道将所需的CSI反馈至源节点，同理，在第二个时隙中，目的节点已知信道状态信息(CSI)而中继节点未知，目的节点通过反馈信道将所需的CSI反馈至中继节点。为了使信道容量最大化，在发射端应用注水功率算法，接收端分别计算最佳的功率分配矩阵并将其反馈回发射端。
对于协作通信系统模型，能量和数据天线的选择不仅需要在源节点实现，还需要在中继节点处实施。在第一时隙，需要分别确定源节点用于收集能量的天线和发送数据的天线、中继节点用于能量收集的天线和接收数据的天线；在第二时隙，需要确定中继节点用于收集能量的天线和发送数据的天线。在第一时隙，假设源节点S用于能量收集的天线构成第一时隙源节点能量天线集合α，其余天线用于数据传输并构成第一时隙源节点数据天线集合β，L1为α中的天线数目。与此同时，中继节点用于能量收集的天线构成第一时隙中继节点能量天线集合ω，其余天线用于接收数据，构成第一时隙中继节点数据天线集合ψ。能量天线集合中的天线分别收集周围环境中的无线电波能量。假设第一时隙源节点能量天线集合α中的第j1根天线的接收功率为Pj1，则第一时隙源节点数据天线集合β中的天线可用的总发射功率为
Figure BDA0001597255640000091
Pth为能量有效收集门限，η为能量转换效率，η∈(0,1]。
在第二个时隙中，假设中继节点R用于能量收集的天线构成第二时隙中继节点能量天线集合Θ1，其余天线用于数据传输，构成第二时隙中继节点数据天线集合Ω1，L2为Θ1中的天线数目。假设第二时隙中继节点能量天线集合Θ1中的第j2根天线的接收功率为Pj2，则第二时隙源中继节点数据天线集合Ω1中的天线可用的总发射功率为
Figure BDA0001597255640000092
所提出的协作通信系统模型的能量和数据天线选择应该分两步进行，对应于协作过程的第一个时隙，第一步是处理源节点和中继节点的天线选择。基于信道容量最大化准则，第一个时隙中数据和能量天线的最优选择可以表示为
Figure BDA0001597255640000093
其中，αopt和βopt分别为遍历选出的第一时隙源节点最优能量天线集合和第一时隙源节点最优数据天线集合，ωopt和ψopt分别为遍历选出的第一时隙中继节点最优能量天线集合和第一时隙中继节点最优数据天线集合，INt是Nt×Nt维单位矩阵，源节点到中继节点链路的最优功率分配矩阵K1是(Nt-L1)×(Nt-L1)维对角阵，满足
Figure BDA0001597255640000094
tr(·)表示求矩阵的迹的运算。通过注水功率算法计算最优功率分配矩阵K1，其中
Figure BDA0001597255640000095
μ1是满足
Figure BDA0001597255640000096
的约束项，
Figure BDA0001597255640000097
是源节点到中继节点链路的Nt×(Ns-L1)维信道系数矩阵H1的第i1个特征值。信道系数矩阵H1服从均值为0，方差为1的复高斯分布，信道系数矩阵元素
Figure BDA0001597255640000101
为源节点的第q1根天线到中继节点的第p1根天线之间链路的信道系数，满足1≤p1≤Nt，1≤q1≤Ns-L1。
对应于协作过程的第二个时隙，第二步是处理中继节点上的天线选择。同样基于信道容量最大化准则，与第一个时隙类似，第二个时隙中的数据和能量天线的最优选择可以被表示为
Figure BDA0001597255640000102
其中，Θopt1和Ωopt1分别为第二时隙中继节点最优能量天线集合和第二时隙中继节点最优数据天线集合，中继节点到目的节点链路的最优功率分配矩阵K2是(Nr-L2)×(Nr-L2)维对角阵，满足
Figure BDA0001597255640000103
tr(·)表示求矩阵的迹的运算。通过注水功率算法计算最优功率分配矩阵K2，其中
Figure BDA0001597255640000104
Figure BDA0001597255640000107
μ2是满足
Figure BDA0001597255640000105
的约束项，
Figure BDA0001597255640000106
是中继节点到目的节点链路的Nt×(Ns-L1)维信道系数矩阵H2的第i2个特征值。信道系数矩阵元素
Figure BDA0001597255640000108
为中继节点的第q2根天线到目的节点的第p2根天线之间链路的信道系数，满足1≤p2≤Nr，1≤q2≤Nt-L2。
A.遍历的天线选择算法。
与无线EH-MIMO非协作通信系统模型相比，协作通信系统模型中的天线选择分别在源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上执行。在协作通信系统，所有的天线组合在源节点和中继节点处同时遍历选择，而不是像在非协作通信系统中只在源节点处遍历。在第一时隙，具体算法如下：
(1)初始化L2＝1。
(2)将L2根天线分配到第一时隙中继节点能量天线集合ω，确定第一时隙中继节点的能量和数据天线组合。
(3)初始化L1＝1。
(4)将L1根天线分配到第一时隙源节点能量天线集合α，确定源节点处的能量天线和数据天线组合。
(5)对于源节点处的每个天线组合，计算可用于第一时隙源节点数据天线集合β的总发射功率
Figure BDA0001597255640000113
(6)依据所述总发射功率以及注水功率算法，计算最优功率分配矩阵K1；由数学式
Figure BDA0001597255640000111
同时在源节点和中继节点处遍历所有天线组合，并计算相应的信道容量。
(7)令L1＝L1+1；如果L1＜Ns，转步骤(4)，否则转下一步骤。
(8)令L2＝L2+1，如果L2＜Nt，转步骤(2)；否则转下一步骤。
(9)选择出与最大信道容量相对应的源节点和中继节点天线组合。
在第二时隙，具体算法如下：
(1)初始化L3＝1。
(2)将L3根天线分配到第二时隙中继节点能量天线集合Θ1中并确定第二时隙中继节点的能量和数据天线组合。
(3)对于每个天线组合，计算可用于第二时隙中继节点数据天线集合Ω1的总发射功率Pt2。
(4)依据所述总发射功率和注水功率算法，计算第二时隙中继节点到目的节点链路的最优功率分配矩阵K2，由数学式
Figure BDA0001597255640000112
遍历所有天线组合并计算相应的信道容量。
(5)令L3＝L3+1，如果L3＜Nt,转步骤(2)，否则转下一步骤。
(6)选择出最大信道容量对应的中继节点天线组合。
其中：L3为Θ1中的天线数目；Θopt1是第二时隙中继节点最优能量天线集合；Ωopt1是第二时隙中继节点最优数据天线集合；
Figure BDA0001597255640000114
是Nr×Nr维单位矩阵；最优功率分配矩阵K2是(Nt-L3)×(Nt-L3)维对角阵，tr(K2)表示求矩阵的迹的运算，满足
Figure BDA0001597255640000121
Figure BDA0001597255640000122
是第二时隙中继节点数据天线集合Ω1中的天线可用的总发射功率。
显然，与非协作系统中的分析类似，遍历天线选择算法虽然能够得到最优的天线选择结果，但是复杂度过于高，实用性和实时性较差，难以适应复杂多变的无线信道环境。
B.低复杂度的天线选择算法。
为了减少算法的复杂性，针对协作通信系统模型提出了递增和递减天线选择算法，协作通信系统模型中的天线选择分别在源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上执行。在每条链路上，协作通信系统模型的递增和递减天线选择思路分别与非协作通信系统模型的的递增和递减天线选择思路相似，区别主要在于源节点到中继节点链路上的天线选择。对于协作通信系统模型的递增和递减天线选择算法，类似于非协作通信系统模型的递增和递减天线选择算法，数据天线的增加或减少首先在源节点处执行，同时假定中继节点上的所有天线接收数据，这样可以确定源节点处的天线组合。其次，将选定的天线组合保持在源节点不变，数据天线的增加或减少再次在中继节点上执行，因此也可以确定中继节点处的天线组合。具体算法如下：
协作递增算法：
(一)第一时隙
步骤一、从源节点分别拿一根天线作为数据天线，其它源节点天线作为能量天线，利用公式
Figure BDA0001597255640000123
计算出相应的信道容量，选取最大容量对应的源节点天线为第一根数据天线。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA0001597255640000124
是Nt×Nt维单位矩阵。源节点数据天线集合的天线数目为M，源节点到中继节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA0001597255640000125
Figure BDA0001597255640000126
为对角阵元素，
Figure BDA0001597255640000127
其中，
Figure BDA0001597255640000128
是满足
Figure BDA0001597255640000129
的约束项，
Figure BDA00015972556400001210
为能量集合收集能量过程中可用于源节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA00015972556400001211
是源节点到中继节点链路Nt×M维信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001212
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001213
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000131
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA0001597255640000132
为源节点的第q根天线到中继节点的第p根天线之间链路的信道系数，满足1≤p≤Nt，1≤q≤M。
步骤二、接着，从源节点除第一根数据天线外的天线中，分别拿一根天线，跟已经选好的第一根数据天线一起作为源节点数据天线，其它天线为源节点能量天线，利用公式
Figure BDA0001597255640000133
计算相应的信道容量，选取最大容量对应的那两根天线为所选的源节点数据天线。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA0001597255640000134
是Nt×Nt维单位矩阵。此时，源节点到中继节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA0001597255640000135
Figure BDA0001597255640000136
为对角阵元素，
Figure BDA0001597255640000137
其中，
Figure BDA0001597255640000138
是满足
Figure BDA0001597255640000139
的约束项，
Figure BDA00015972556400001310
为能量集合收集能量过程中可用于源节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA00015972556400001311
是源节点到中继节点链路的Nt×M维信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001312
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001313
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。此时，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001314
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA00015972556400001315
为源节点的第q根天线到中继节点的第p根天线之间链路的信道系数，满足1≤p≤Nt，1≤q≤M。
步骤三、从中继节点分别拿一根天线作为数据天线，其它中继节点天线作为能量天线，利用公式
Figure BDA00015972556400001316
计算出相应的信道容量，选取最大容量对应的中继节点天线为第一根数据天线。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA00015972556400001317
是Ns×Ns维单位矩阵。中继节点数据天线集合的天线数目为M，中继节点到源节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA0001597255640000141
Figure BDA0001597255640000142
为对角阵元素，
Figure BDA0001597255640000143
其中，
Figure BDA0001597255640000144
是满足
Figure BDA0001597255640000145
的约束项，
Figure BDA0001597255640000146
为能量集合收集能量过程中可用于中继节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA0001597255640000147
是中继节点到源节点链路Ns×M维信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000148
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000149
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001410
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA00015972556400001411
为中继节点的第q根天线到源节点的第p根天线之间链路的信道系数，满足1≤p≤Ns，1≤q≤M。
步骤四、接着，从中继节点除第一根数据天线外的天线中，分别拿一根天线，跟已经选好的第一根数据天线一起作为中继节点数据天线，其它天线为中继节点能量天线，利用公式
Figure BDA00015972556400001412
计算相应的信道容量，选取最大容量对应的那两根天线为所选的中继节点数据天线。其中，C为遍历得出的信道容量，INs是Ns×Ns维单位矩阵。此时，中继节点到源节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA00015972556400001413
Figure BDA00015972556400001414
为对角阵元素，
Figure BDA00015972556400001415
其中，
Figure BDA00015972556400001416
是满足
Figure BDA00015972556400001417
的约束项，
Figure BDA00015972556400001418
为能量集合收集能量过程中可用于中继节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA00015972556400001419
是中继节点到源节点链路的Ns×M维信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001420
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001421
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。此时，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001422
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA00015972556400001423
为中继节点的第q根天线到源节点的第p根天线之间链路的信道系数，满足1≤p≤Ns，1≤q≤M。
依次类推，直到选出要求根数的源节点和中继节点数据天线，分别确定源节点和中继节点处的天线组合。
(二)第二时隙
步骤一、从中继节点分别拿一根天线作为数据天线，其它天线作为中继节点能量天线，利用公式
Figure BDA0001597255640000151
计算出相应的信道容量，选取最大容量对应的天线为第一根中继节点数据天线。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA0001597255640000152
是Nr×Nr维单位矩阵。中继节点数据天线集合的天线数目为M，中继节点到目的节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA0001597255640000153
Figure BDA0001597255640000154
为对角阵元素，
Figure BDA0001597255640000155
其中，
Figure BDA0001597255640000156
是满足
Figure BDA0001597255640000157
的约束项，
Figure BDA0001597255640000158
为能量集合收集能量过程中可用于中继节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA0001597255640000159
是中继节点到目的节点链路Nr×M维信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001510
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001511
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001512
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA00015972556400001513
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，满足1≤p≤Nr，1≤q≤M。
步骤二、从中继节点除第一根数据天线外的天线中，分别拿一根天线，跟已经选好的第一根数据天线一起作为数据天线，其它天线为中继节点能量天线，利用公式
Figure BDA00015972556400001514
计算相应的信道容量，选取最大容量对应的那两根天线为所选的中继节点数据天线。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA00015972556400001521
是Nr×Nr维单位矩阵。此时，中继节点到目的节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA00015972556400001515
Figure BDA00015972556400001516
为对角阵元素，
Figure BDA00015972556400001517
其中，
Figure BDA00015972556400001518
是满足
Figure BDA00015972556400001519
的约束项，
Figure BDA00015972556400001520
为能量集合收集能量过程中可用于中继节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA0001597255640000161
是中继节点到目的节点链路的Nr×M维信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000162
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000163
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。此时，信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000164
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA0001597255640000165
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，满足1≤p≤Nr，1≤q≤M。
依次类推，直到选出要求根数的第二时隙中继节点数据天线。
协作递减算法：
(一)第一时隙
步骤一、从源节点分别拿一根天线作为数据天线，其它源节点天线作为能量天线，利用公式
Figure BDA0001597255640000166
计算出相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线放入源节点数据天线集合。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA0001597255640000167
是Nt×Nt维单位矩阵。源节点数据天线集合的天线数目为M，源节点到中继节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA0001597255640000168
Figure BDA0001597255640000169
为对角阵元素，
Figure BDA00015972556400001610
其中，
Figure BDA00015972556400001611
是满足
Figure BDA00015972556400001612
的约束项，
Figure BDA00015972556400001613
为能量集合收集能量过程中可用于源节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA00015972556400001614
是源节点到中继节点链路Nt×M维信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001615
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001616
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001617
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA00015972556400001618
为源节点的第q根天线到中继节点的第p根天线之间链路的信道系数，满足1≤p≤Nt，1≤q≤M。
步骤二、从源节点剩余数据天线中，分别拿一根天线作为数据天线，其它天线为源节点能量天线，利用公式
Figure BDA0001597255640000171
计算相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线再次放入源节点数据天线集合中。其中，C为遍历得出的信道容量，INt是Nt×Nt维单位矩阵。此时，源节点到中继节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA0001597255640000172
Figure BDA0001597255640000173
为对角阵元素，
Figure BDA0001597255640000174
其中，
Figure BDA0001597255640000175
是满足
Figure BDA0001597255640000176
的约束项，
Figure BDA0001597255640000177
为能量集合收集能量过程中可用于源节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA0001597255640000178
是源节点到中继节点链路的Nt×M维信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000179
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001710
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。此时，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001711
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA00015972556400001712
为源节点的第q根天线到中继节点的第p根天线之间链路的信道系数，满足1≤p≤Nt，1≤q≤M。
步骤三、从中继节点分别拿一根天线作为数据天线，其它中继节点天线作为能量天线，利用公式
Figure BDA00015972556400001713
计算出相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线放入中继节点数据天线集合。其中，C为遍历得出的信道容量，INs是Ns×Ns维单位矩阵。中继节点数据天线集合的天线数目为M，中继节点到源节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA00015972556400001714
Figure BDA00015972556400001715
为对角阵元素，
Figure BDA00015972556400001716
其中，
Figure BDA0001597255640000181
是满足
Figure BDA0001597255640000182
的约束项，
Figure BDA0001597255640000183
为能量集合收集能量过程中可用于中继节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA0001597255640000184
是中继节点到源节点链路Ns×M维信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000185
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000186
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000187
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA0001597255640000188
为中继节点的第q根天线到源节点的第p根天线之间链路的信道系数，满足1≤p≤Ns，1≤q≤M。
步骤四、从中继节点剩余数据天线中，分别拿一根天线作为中继节点数据天线，其它天线为中继节点能量天线，利用公式
Figure BDA0001597255640000189
计算相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线再次放入中继节点数据天线集合中。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA00015972556400001810
是Ns×Ns维单位矩阵。此时，中继节点到源节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA00015972556400001811
Figure BDA00015972556400001812
Figure BDA00015972556400001813
为对角阵元素，
Figure BDA00015972556400001814
其中，
Figure BDA00015972556400001815
是满足
Figure BDA00015972556400001816
的约束项，
Figure BDA00015972556400001817
为能量集合收集能量过程中可用于中继节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA00015972556400001818
是中继节点到源节点链路的Ns×M维信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001819
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001820
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。此时，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001821
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA00015972556400001822
为中继节点的第q根天线到源节点的第p根天线之间链路的信道系数，满足1≤p≤Ns，1≤q≤M。
依次类推，直到选出要求根数的源节点和中继节点数据天线，分别确定源节点和中继节点处的天线组合。
(二)第二时隙
步骤一、从中继节点分别拿一根天线作为数据天线，其它天线作为中继节点能量天线，利用公式
Figure BDA0001597255640000191
计算出相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线放入中继节点数据天线集合。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA00015972556400001916
是Nr×Nr维单位矩阵。中继节点数据天线集合的天线数目为M，中继节点到目的节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA0001597255640000192
Figure BDA0001597255640000193
为对角阵元素，
Figure BDA0001597255640000194
其中，
Figure BDA0001597255640000195
是满足
Figure BDA0001597255640000196
的约束项，
Figure BDA0001597255640000197
为能量集合收集能量过程中可用于中继节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA0001597255640000198
是中继节点到目的节点链路Nr×M维信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000199
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001910
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400001911
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA00015972556400001912
为中继节点的第q根天线到目的节点的第p根天线之间链路的信道系数，满足1≤p≤Nr，1≤q≤M。
步骤二、从中继节点剩余数据天线中，分别拿一根天线作为中继节点数据天线，其它天线为中继节点能量天线，利用公式
Figure BDA00015972556400001913
计算相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线再次放入中继节点数据天线集合中。其中，C为遍历得出的信道容量，
Figure BDA00015972556400001914
是Nr×Nr维单位矩阵。此时，中继节点到目的节点链路的功率分配矩阵
Figure BDA00015972556400001915
Figure BDA0001597255640000201
Figure BDA0001597255640000202
为对角阵元素，
Figure BDA0001597255640000203
其中，
Figure BDA0001597255640000204
是满足
Figure BDA0001597255640000205
的约束项，
Figure BDA0001597255640000206
为能量集合收集能量过程中可用于中继节点数据集合的总发射功率，
Figure BDA0001597255640000207
是中继节点到目的节点链路的Nr×M维信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000208
的第i个特征值，信道系数矩阵
Figure BDA0001597255640000209
服从均值为0，方差为1的复高斯分布。此时，信道系数矩阵
Figure BDA00015972556400002010
其中，信道系数矩阵元素
Figure BDA00015972556400002011
为中继节点的第q根天线到目的节点的第p根天线之间链路的信道系数，满足1≤p≤Nr，1≤q≤M。
依次类推，直到选出要求根数的第二时隙中继节点数据天线。
本发明特点：(1)天线选择算法克服了已有文献中单天线无线信息和功率同时传输模式算法复杂度高难以实施的问题，并能够实现有效地利用EH收集的能量提高通信系统性能。(2)本发明分别针对非协作和协作两种情形提出了相应的最优和次优天线选择算法，在第二种协作情形中，考虑源节点和中继节点链路同时遍历，具有广泛的适应性和应用价值。

Claims (4)

1.一种基于EH-MIMO通信系统的天线选择方法，对于非协作场景，在源节点的多根天线中各选择部分天线分别用于能量收集和数据传输，形成天线组合；用于能量收集的天线构成源节点能量天线集合，用于数据传输的天线构成源节点数据天线集合，所述天线选择方法包括如下步骤：
(1)将源节点的每根天线依次分别作为数据天线，其它天线则作为能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000011
分别计算出每根天线作为数据天线时相应的信道容量，选取最大信道容量对应的天线作为第一根数据天线；其中：目的节点的天线数目为Nr；源节点数据天线集合中的天线数目为M；C为遍历得出的信道容量，
Figure FDA0002715557080000012
是Nr×Nr维单位矩阵；H(I)是源节点到目的节点链路Nr×M维信道系数矩阵；“*”表示矩阵或矢量的共轭转置；K(I)是源节点到目的节点链路的功率分配矩阵；
(2)从源节点除第一根数据天线外的其它天线中，分别将每根天线与第一根数据天线一起作为数据天线，其余天线则作为能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000013
计算相应的信道容量，选取最大容量对应的那两根天线为所选的源节点数据天线；其中：
Figure FDA0002715557080000014
是源节点到目的节点链路的Nr×M维信道系数矩阵；K1 (I)是源节点到目的节点链路的功率分配矩阵；
(3)依次类推，直到选出要求根数的源节点数据天线。
2.一种基于EH-MIMO通信系统的天线选择方法，对于非协作场景，在源节点的多根天线中各选择部分天线分别用于能量收集和数据传输，形成天线组合；用于能量收集的天线构成源节点能量天线集合，用于数据传输的天线构成源节点数据天线集合，所述天线选择方法包括如下步骤：
(1)将源节点的每根天线依次分别作为数据天线，其它的天线则作为能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000015
分别计算出每根天线作为数据天线时相应的信道容量，找出最小信道容量对应的那根天线并删除，剩余天线放入一个源节点数据天线集；其中：目的节点的天线数目为Nr；源节点数据天线集合中的天线数目为M；C为遍历得出的信道容量，
Figure FDA0002715557080000016
是Nr×Nr维单位矩阵；H(R)是源节点到目的节点链路Nr×M维信道系数矩阵；“*”表示矩阵或矢量的共轭转置；K(R)是源节点到目的节点链路的功率分配矩阵；
(2)从源节点数据天线集中，再将每根天线分别作为数据天线，其它天线作为能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000021
分别计算出每根天线作为数据天线时相应的信道容量，找出最小信道容量对应的那根天线并删除，剩余天线再次放入源节点数据天线集中；其中：
Figure FDA0002715557080000022
是源节点到目的节点链路的Nr×M维信道系数矩阵；K1 (R)是源节点到目的节点链路的功率分配矩阵；
(3)依次类推，直到选出要求根数的源节点数据天线。
3.一种基于EH-MIMO通信系统的天线选择方法，对于协作场景，一次协作过程分成两个时隙，在第一时隙，分别确定源节点用于收集能量的天线和用于发送数据的天线，以及分别确定中继节点用于能量收集的天线和用于接收数据的天线；在第二时隙，分别确定中继节点用于收集能量的天线和用于发送数据的天线；其特征在于：(一)在第一时隙，源节点和中继节点的天线选择方法包括如下步骤：
(1)将源节点的每根天线依次分别作为数据天线，其它的天线则作为能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000023
分别计算出每根天线作为数据天线时相应的信道容量，选取最大信道容量对应的天线作为第一根数据天线；其中：中继节点的天线数目为Nt；源节点数据天线集合中的天线数目为M；C为遍历得出的信道容量，
Figure FDA0002715557080000024
是Nt×Nt维单位矩阵；
Figure FDA0002715557080000025
是源节点到中继节点链路Nt×M维信道系数矩阵；“*”表示矩阵或矢量的共轭转置；K2 (R)是源节点到中继节点链路的功率分配矩阵；
(2)从源节点除第一根数据天线外的其它天线中，分别将每根天线与第一根数据天线一起作为数据天线，其余天线则作为能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000026
计算相应的信道容量，选取最大容量对应的那两根天线为所选的源节点数据天线；其中：
Figure FDA0002715557080000027
是源节点到中继节点链路的Nt×M维信道系数矩阵；K3 (I)是源节点到中继节点链路的功率分配矩阵；
(3)从中继节点分别拿一根天线作为数据天线，其它中继节点天线作为能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000031
计算出相应的信道容量，选取最大容量对应的中继节点天线为第一根中继数据天线；其中：
Figure FDA0002715557080000032
是Ns×Ns维单位矩阵；Ns为源节点的总天线数目；
Figure FDA0002715557080000033
是中继节点到源节点链路Ns×M维信道系数矩阵；
Figure FDA0002715557080000034
是中继节点到源节点链路的功率分配矩阵；
(4)从中继节点除第一根中继数据天线外的天线中，分别将每根天线与第一根中继数据天线一起作为数据天线，其余天线则作为能量天线，
利用公式
Figure FDA0002715557080000035
计算相应的信道容量，选取最大容量对应的那两根天线为所选的中继数据天线；其中：
Figure FDA0002715557080000036
是中继节点到源节点链路的功率分配矩阵；
Figure FDA0002715557080000037
是中继节点到源节点链路的Ns×M维信道系数矩阵；
(5)依次类推，直到选出要求根数的源节点和中继节点数据天线，分别确定源节点和中继节点处的天线组合；
(二)在第二时隙，中继节点的天线选择方法包括如下步骤：
(1)从中继节点分别拿一根天线作为中继数据天线，其它天线作为中继能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000038
计算出相应的信道容量，选取最大容量对应的天线为第一根中继数据天线；其中：
Figure FDA0002715557080000039
是Nr×Nr维单位矩阵；
Figure FDA00027155570800000310
是中继节点到目的节点链路的功率分配矩阵；
Figure FDA00027155570800000311
是中继节点到目的节点链路Nr×M维信道系数矩阵；Nr是目的节点的天线数目；源节点数据天线集合中的天线数目为M；
(2)从中继节点除第一根中继数据天线外的天线中，分别拿一根天线，跟已经选好的第一根中继数据天线一起作为数据天线，其它天线为中继能量天线，利用公式
Figure FDA00027155570800000312
计算相应的信道容量，选取最大容量对应的那两根天线为所选的中继数据天线；其中：
Figure FDA00027155570800000313
是中继节点到目的节点链路的功率分配矩阵；
Figure FDA00027155570800000314
是中继节点到目的节点链路的Nr×M维信道系数矩阵；
(3)依次类推，直到选出要求根数的第二时隙中继节点数据天线。
4.一种基于EH-MIMO通信系统的天线选择方法，对于协作场景，一次协作过程分成两个时隙，在第一时隙，分别确定源节点用于收集能量的天线和用于发送数据的天线，以及分别确定中继节点用于能量收集的天线和用于接收数据的天线；在第二时隙，分别确定中继节点用于收集能量的天线和用于发送数据的天线；其特征在于：(一)在第一时隙，源节点和中继节点的天线选择方法包括如下步骤：
(1)从源节点分别拿一根天线作为数据天线，其它源节点天线作为能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000041
计算出相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线放入源节点数据天线集合；其中：C为遍历得出的信道容量，
Figure FDA0002715557080000042
是Nt×Nt维单位矩阵；
Figure FDA0002715557080000043
是源节点到中继节点链路的功率分配矩阵；
Figure FDA0002715557080000044
是源节点到中继节点链路Nt×M维信道系数矩阵；中继节点的天线数目为Nt；源节点数据天线集合中的天线数目为M；
(2)从源节点剩余数据天线中，分别拿一根天线作为数据天线，其它天线为源节点能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000045
计算相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线再次放入源节点数据天线集合中；其中：
Figure FDA0002715557080000046
是源节点到中继节点链路的功率分配矩阵；
Figure FDA0002715557080000047
是源节点到中继节点链路的Nt×M维信道系数矩阵；
(3)从中继节点分别拿一根天线作为数据天线，其它中继节点天线作为能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000048
计算出相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线放入中继节点数据天线集合；其中：
Figure FDA0002715557080000049
是Ns×Ns维单位矩阵；
Figure FDA00027155570800000410
是中继节点到源节点链路的功率分配矩阵；
Figure FDA00027155570800000411
是中继节点到源节点链路Ns×M维信道系数矩阵；源节点的天线数目为Ns；
(4)从中继节点剩余数据天线中，分别拿一根天线作为中继节点数据天线，其它天线为中继节点能量天线，利用公式
Figure FDA00027155570800000412
计算相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线再次放入中继节点数据天线集合中；其中：
Figure FDA00027155570800000413
是中继节点到源节点链路的功率分配矩阵；
Figure FDA0002715557080000051
是中继节点到源节点链路的Ns×M维信道系数矩阵；
(5)依次类推，直到选出要求根数的源节点和中继节点数据天线，分别确定源节点和中继节点处的天线组合；
(二)在第二时隙，中继节点的天线选择方法包括如下步骤：
(1)从中继节点分别拿一根天线作为数据天线，其它天线作为中继节点能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000052
计算出相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线放入中继节点数据天线集合；其中：
Figure FDA0002715557080000053
是Nr×Nr维单位矩阵；
Figure FDA0002715557080000054
是中继节点到目的节点链路的功率分配矩阵；
Figure FDA0002715557080000055
是中继节点到目的节点链路Nr×M维信道系数矩阵；Nr是目的节点的天线数目；源节点数据天线集合中的天线数目为M；
(2)从中继节点剩余数据天线中，分别拿一根天线作为中继节点数据天线，其它天线为中继节点能量天线，利用公式
Figure FDA0002715557080000056
计算相应的信道容量，找出对信道容量贡献最小的一根天线并删除，剩余天线再次放入中继节点数据天线集合中；其中：
Figure FDA0002715557080000057
是中继节点到目的节点链路的功率分配矩阵；
Figure FDA0002715557080000058
是中继节点到目的节点链路的Nr×M维信道系数矩阵；
(3)依次类推，直到选出要求根数的第二时隙中继节点数据天线。
CN201810211096.4A 2018-03-14 2018-03-14 基于eh-mimo通信系统的天线选择方法 Expired - Fee Related CN108512579B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810211096.4A CN108512579B (zh) 2018-03-14 2018-03-14 基于eh-mimo通信系统的天线选择方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810211096.4A CN108512579B (zh) 2018-03-14 2018-03-14 基于eh-mimo通信系统的天线选择方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108512579A CN108512579A (zh) 2018-09-07
CN108512579B true CN108512579B (zh) 2021-02-05

Family

ID=63377661

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810211096.4A Expired - Fee Related CN108512579B (zh) 2018-03-14 2018-03-14 基于eh-mimo通信系统的天线选择方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108512579B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109714805A (zh) * 2019-01-24 2019-05-03 广西师范大学 无线能量收集协作通信系统的节能中继选择方法
CN109728833B (zh) * 2019-02-11 2021-04-27 深圳市普威技术有限公司 一种WiFi装置
CN110190886B (zh) * 2019-04-25 2020-10-16 中山大学 中继系统的信号处理方法、装置、存储介质及中继系统
CN110266367A (zh) * 2019-05-30 2019-09-20 中国人民解放军63921部队 无线能量与数据一体化传输的方法和设备

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8228194B2 (en) * 2004-10-28 2012-07-24 University Of Pittsburgh - Of The Commonwealth System Of Higher Education Recharging apparatus
CN105187104A (zh) * 2015-07-24 2015-12-23 河海大学 大规模mimo系统的快速发送天线选择方法
CN105188106A (zh) * 2015-09-24 2015-12-23 浙江大学 一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法
CN106357315A (zh) * 2016-09-23 2017-01-25 燕山大学 一种具有不完全csi的大型多天线网络能效资源分配方法
CN106487482A (zh) * 2016-11-01 2017-03-08 山东交通学院 一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法
CN106656296A (zh) * 2016-08-04 2017-05-10 华侨大学 全双工能量采集中继自适应天线选择传输方法
CN107592144A (zh) * 2017-08-29 2018-01-16 广西师范大学 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

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8228194B2 (en) * 2004-10-28 2012-07-24 University Of Pittsburgh - Of The Commonwealth System Of Higher Education Recharging apparatus
CN105187104A (zh) * 2015-07-24 2015-12-23 河海大学 大规模mimo系统的快速发送天线选择方法
CN105188106A (zh) * 2015-09-24 2015-12-23 浙江大学 一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法
CN106656296A (zh) * 2016-08-04 2017-05-10 华侨大学 全双工能量采集中继自适应天线选择传输方法
CN106357315A (zh) * 2016-09-23 2017-01-25 燕山大学 一种具有不完全csi的大型多天线网络能效资源分配方法
CN106487482A (zh) * 2016-11-01 2017-03-08 山东交通学院 一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法
CN107592144A (zh) * 2017-08-29 2018-01-16 广西师范大学 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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于SWIPT的MIMO中继信道传输策略优化研究;陈恩民;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20160215;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108512579A (zh) 2018-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108512579B (zh) 基于eh-mimo通信系统的天线选择方法
CN108770007B (zh) 基于noma的无线携能通信系统多目标优化方法
CN111447631A (zh) 基于非正交多址技术的星地联合波束形成和功率分配方法
CN110190881B (zh) 权重速率最优的下行mimo-noma功率分配方法
CN107592144B (zh) 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
CN101867402A (zh) 一种自适应天线选择的mimo系统及其应用方法
CN112533274B (zh) 一种室内太赫兹bwp和功率调度方法及装置
CN105119644B (zh) 基于swipt的单用户mimo系统空分模式切换方法
CN110708716B (zh) 一种基于多天线能量捕获的短包通信传输性能分析方法
CN110933757B (zh) 基于时间反演的wpcn系统的抗干扰资源分配方法
CN105680920A (zh) 一种多用户多天线数能一体化通信网络吞吐量优化方法
CN102457951A (zh) 一种多小区协作通信中链路联合波束成形的方法和基站
CN108811023B (zh) 一种基于萤火虫算法的swipt协作通信系统中继选择方法
CN111918320B (zh) 时分双工下非正交多址接入的无线通信资源优化分配方法
CN111726151A (zh) 一种基于无线携能通信的资源分配方法与装置
CN105007108A (zh) 基于发射天线选择的分布式干扰对齐方案
CN112888020B (zh) 一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法
CN109039410B (zh) 一种异构云无线接入网络的波束成形方法及通信网络
CN114745032B (zh) 一种无蜂窝大规模mimo智能分布式波束选择方法
CN113179550B (zh) 一种分布式无线能量和信息传输系统的资源分配方法
CN113595609B (zh) 一种基于强化学习的蜂窝移动通信系统协作式信号发送方法
CN105848267A (zh) 基于能耗最小化的串行能量采集方法
CN105517049A (zh) 一种无线中继节点工作量的分配方法
CN101868018B (zh) 一种用于mimo的低比特反馈用户功率分配方法
CN107979397B (zh) 一种分布式天线系统的天线端口选择方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210205