CN108988920B - 收发机联合优化方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种收发机联合优化方法及装置，应用于基于PS协议的无线供能MIMO中继系统。所述方法包括：获取第一信道矩阵、第二信道矩阵、能量转换率、标称功率、第一噪声方差及第二噪声方差；分别对第一信道矩阵及第二信道矩阵进行奇异值分解，得到第一对角矩阵及第二对角矩阵；根据标称功率、第一噪声方差、第二噪声方差、能量转换率、第一对角矩阵及第二对角矩阵按照能量约束条件及功率约束条件对源节点上的第一预编码矩阵、中继节点上的功率分配矩阵及所述中继节点上的第二预编码矩阵进行优化。所述方法能够对无线供能MIMO中继系统各节点的通信过程进行优化，以增强该系统的信号传输效率。

Description

收发机联合优化方法及装置
技术领域
本发明涉及数据通信技术领域，具体而言，涉及一种收发机联合优化方法及装置。
背景技术
随着数据通信技术的不断发展，MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)通信技术的应用愈发广泛。但就目前而言，现有的MIMO中继通信系统是基于额定功率对信号传输进行功率约束的方式实现信号传输通信。MIMO中继通信系统通过这种通信方式进行信号通信时，会受到额定功率的限制而造成通信系统的信号传输效率低下。
发明内容
为了克服现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种收发机联合优化方法及装置，所述方法能够对无线供能MIMO中继系统各节点的通信过程进行优化，从而增强该中继系统的信号传输效率。
就方法而言，本发明实施例提供一种收发机联合优化方法，应用于功率分配PS(Power Splitting)协议的无线供能多输入多输出MIMO中继系统，所述系统包括源节点、中继节点及目的节点，其中所述源节点发送包括能量与信息的源信号给所述中继节点，由所述中继节点基于所述源信号中的能量将所述源信号中的信息发送给所述目的节点，所述方法包括：
获取所述源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵、所述中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵、所述中继节点提取来自所述源节点的源信号中的能量时的能量转换率、所述源节点上的标称功率、所述源节点与所述中继节点之间的第一噪声方差及所述中继节点与所述目的节点之间的第二噪声方差；
分别对所述第一信道矩阵及所述第二信道矩阵进行奇异值分解，得到所述第一信道矩阵对应的第一对角矩阵，及所述第二信道矩阵对应的第二对角矩阵；
根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵及所述第二对角矩阵按照能量约束条件及功率约束条件对所述源节点上用于传输源信号的第一预编码矩阵、所述中继节点上用于分离所述源信号中的能量和信息的功率分配矩阵，及所述中继节点上用于传输所述源信号中的信息的第二预编码矩阵进行优化。
就装置而言，本发明实施例提供一种收发机联合优化装置，应用于基于功率分配PS协议的无线供能多输入多输出MIMO中继系统，所述系统包括源节点、中继节点及目的节点，其中所述源节点发送包括能量与信息的源信号给所述中继节点，由所述中继节点基于所述源信号中的能量将所述源信号中的信息发送给所述目的节点，所述装置包括：
信息获取模块，用于获取所述源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵、所述中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵、所述中继节点提取来自所述源节点的源信号中的能量时的能量转换率、所述源节点上的标称功率、所述源节点与所述中继节点之间的第一噪声方差及所述中继节点与所述目的节点之间的第二噪声方差；
矩阵分解模块，用于分别对所述第一信道矩阵及所述第二信道矩阵进行奇异值分解，得到所述第一信道矩阵对应的第一对角矩阵，及所述第二信道矩阵对应的第二对角矩阵；
联合优化模块，用于根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵及所述第二对角矩阵按照能量约束条件及功率约束条件对所述源节点上用于传输源信号的第一预编码矩阵、所述中继节点上用于分离所述源信号中的能量和信息的功率分配矩阵，及所述中继节点上用于传输所述源信号中的信息的第二预编码矩阵进行优化。
相对于现有技术而言，本发明实施例提供的收发机联合优化方法及装置具有以下有益效果：所述方法能够对无线供能MIMO中继系统对应的收发机参数进行联合优化的方式，对该中继系统各节点的通信过程进行优化，从而增强该中继系统的信号传输效率，其中所述收发机参数包括所述源节点上用于传输源信号的第一预编码矩阵、所述中继节点上用于分离所述源信号中的能量和信息的功率分配矩阵，及所述中继节点上用于传输所述源信号中的信息的第二预编码矩阵。所述方法应用于无线供能MIMO中继系统，所述系统包括源节点、中继节点及目的节点，其中所述源节点发送包括能量与信息的源信号给所述中继节点，由所述中继节点基于所述源信号中的能量将所述源信号中的信息发送给所述目的节点，所述源节点、所述中继节点及所述目的节点基于PS协议的DF(Decode-and-Forward，解码前传)技术进行信号通信。首先，所述方法获取所述源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵、所述中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵、所述中继节点提取来自所述源节点的源信号中的能量时的能量转换率、所述源节点上的标称功率、所述源节点与所述中继节点之间的第一噪声方差及所述中继节点与所述目的节点之间的第二噪声方差。接着，所述方法分别对所述第一信道矩阵及所述第二信道矩阵进行奇异值分解，得到所述第一信道矩阵对应的第一对角矩阵，及所述第二信道矩阵对应的第二对角矩阵。最后，所述方法根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵及所述第二对角矩阵按照能量约束条件及功率约束条件对所述源节点上用于传输源信号的第一预编码矩阵、所述中继节点上用于分离所述源信号中的能量和信息的功率分配矩阵，及所述中继节点上用于传输所述源信号中的信息的第二预编码矩阵进行优化，通过能量约束及功率约束的方式调整优化所述系统的功率分配矩阵及各预编码矩阵，以提高所述中继系统对信号的传输效率及传输数据量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，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本发明权利要求保护范围的限定，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为本发明实施例提供的收发机联合优化方法的一种流程示意图。
图2为图1中所示的步骤S230包括的子步骤的一种流程示意图。
图3为本发明实施例提供的收发机联合优化方法的另一种流程示意图。
图4为本发明实施例提供的收发机联合优化装置的一种方框示意图。
图5为图4中所示的联合优化模块的一种方框示意图。
图6为本发明实施例提供的收发机联合优化装置的另一种方框示意图。
图标：100-收发机联合优化装置；110-信息获取模块；120-矩阵分解模块；130-联合优化模块；131-最优参数求解子模块；132-预编码优化子模块；140-配置模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参照图1，是本发明实施例提供的收发机联合优化方法的一种流程示意图。在本发明实施例中，所述收发机联合优化方法应用于基于PS协议的无线供能MIMO中继系统，用于对所述无线供能MIMO中继系统对应的收发机参数进行联合优化，以对所述系统各节点的通信过程进行优化。其中，所述无线供能MIMO中继系统基于DF技术进行信号通信，所述无线供能MIMO中继系统包括相互通信的源节点、中继节点及目的节点，所述源节点向所述中继节点发送包括能量与信息的源信号，由所述中继节点对所述源信号进行能量提取及信息提取得到对应的能量和信息，所述中继节点将基于提取出的能量将提取出的信息发送给所述目的节点，从而实现无线供能MIMO中继系统的通信过程。其中，所述系统对应的收发机参数包括所述源节点上用于传输源信号的第一预编码矩阵、所述中继节点上用于分离所述源信号中的能量及信息的功率分配矩阵，及所述中继节点上用于传输所述源信号中的信息的第二预编码矩阵。下面对图1所示的收发机联合优化方法的具体流程和步骤进行详细阐述。
步骤S210，获取源节点与中继节点之间的第一信道矩阵、所述中继节点与目的节点之间的第二信道矩阵、所述中继节点提取来自所述源节点的源信号中的能量时的能量转换率、所述源节点上的标称功率、所述源节点与所述中继节点之间的第一噪声方差及所述中继节点与所述目的节点之间的第二噪声方差。
在本实施例中，所述源节点与所述中继节点之间存在均值为0的加性高斯白噪声vr，所述中继节点与所述目的节点之间存在均值为0的加性高斯白噪声vd，因此对所述中继节点而言，可用所述源节点与所述中继节点之间的加性高斯白噪声vr的第一噪声方差
Figure BDA0001781432110000061
表示所述中继节点接收信号时的抗干扰能力的强弱；对目的节点而言，可用所述中继节点与所述目的节点之间的加性高斯白噪声vd的第二噪声方差
Figure BDA0001781432110000062
表示所述中继节点接收信号时的抗干扰能力的强弱。
在本实施例中，所述源节点、所述中继节点及所述目的节点上均可设置有多个天线，其中所述源节点上的天线数目可用Ns表示，所述中继节点上的天线数目可用Nr表示，所述目的节点上的天线数目可用Nd表示，则所述第一信道矩阵即为Nr×Ns的信道矩阵，可用H表示；所述第二信道矩阵即为Nd×Nr的信道矩阵，可用G表示。
在本实施例中，所述标称功率表示所述源节点能够获取到的平均功率，可用PS表示；所述能量转换率表示所述中继节点在接收到来自所述源节点的能量信号后从所述能量信号中提取出相应能量的转换效率，可用η表示。
步骤S220，分别对所述第一信道矩阵及所述第二信道矩阵进行奇异值分解，得到所述第一信道矩阵对应的第一对角矩阵，及所述第二信道矩阵对应的第二对角矩阵。
在本实施例中，所述方法通过分别对所述第一信道矩阵H及所述第二信道矩阵G进行奇异值分解，可将所述第一信道矩阵H及所述第二信道矩阵G用下式进行表示：
Figure BDA0001781432110000071
其中，Λh表示第一信道矩阵H对应的第一对角矩阵，Uh表示第一信道矩阵H奇异值分解后对应的左侧子矩阵，Vh表示第一信道矩阵H奇异值分解后对应的右侧子矩阵，Λg表示第二信道矩阵G对应的第二对角矩阵，Ug表示第二信道矩阵G奇异值分解后对应的左侧子矩阵，Vg表示第二信道矩阵G奇异值分解后对应的右侧子矩阵，(·)H表示厄密共轭转置。第一信道矩阵H对应的第一对角矩阵中各对角元素按照递减次序依次排列，所述第二信道矩阵G对应的第二对角矩阵中各对角元素按照递减次序依次排列。
步骤S230，根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵及所述第二对角矩阵按照能量约束条件及功率约束条件对所述源节点上的第一预编码矩阵、所述中继节点上的功率分配矩阵，及所述中继节点上的第二预编码矩阵进行优化。
在本实施例中，所述第一预编码矩阵用于传输源信号给所述中继节点，所述功率分配矩阵用于分离所述源信号中的能量及信息，所述第三预编码矩阵用于传输所述源信号中的信息给所述目的节点。所述系统在对一个源信号中蕴含的信息进行传输通信时，需要在所述源节点通过第一预编码矩阵对源信号进行预编码后发送给所述中继节点。所述中继节点在接收到编码后的源信号后，通过功率分配矩阵对编码后的源信号进行能量与信息的分离，得到所述源信号中的能量及已编码的信息。所述中继节点对所述已编码的信息进行解码，并通过第二预编码矩阵对已解码的信息进行预编码。然后所述中继节点基于分离出的能量将经所述第二预编码矩阵编码后的信息发送给所述目的节点。
其中，由所述源节点发送的所述源信号为N2×1的信号向量s，对应的所述第一预编码矩阵为用B表示的Ns×N2的编码矩阵。所述中继节点上对应的功率分配矩阵为用D表示的N2×N2的对角矩阵。所述中继节点上的第二预编码矩阵为用于F表示的Nr×N2的编码矩阵，对应的由所述第二预编码矩阵编码后且被所述中继节点直接传输给所述目的节点的信息为N2×1的信号向量
Figure BDA0001781432110000081
在本实施例中，所述系统对应的在中继节点上的能量约束条件可用如下式子进行表示：
Figure BDA0001781432110000082
其中，tr(·)表示矩阵的迹，
Figure BDA0001781432110000083
是一个N2×N2的单位矩阵，Λh,1表示第一信道矩阵H对应的第一对角矩阵Λh中N2个最大的对角元素，功率分配矩阵D可用
Figure BDA0001781432110000085
表示，此处diag(·)表示对角矩阵，0≤di≤1，i＝1，…，N2，di表示功率分配矩阵D中第i个数据流的功率分配比率，(·)H表示厄密共轭转置。
在本实施例中，所述系统对应的在原节点上的功率约束条件可用如下式子进行表示：
tr(BBH)≤Ps
其中，PS表示源节点当前的标称功率。
在本实施例中，所述源节点与所述目的节点之间的交互信息可用如下式子进行表示：
Figure BDA0001781432110000086
其中，MI(·)表示源节点与目的节点之间的交互信息，|·|表示矩阵行列式，N2的数值不大于min{rank(H)，rank(G)}，rank(·)表示矩阵的秩，其余字符代表的含义可参照上文中的描述。
此时，所述能量约束条件结合所述功率约束条件得到的应用于所述系统的收发机参数优化条件可用如下式子表示：
Figure BDA0001781432110000091
s.t. tr(BBH)≤Ps
Figure BDA0001781432110000092
0≤di≤1，i＝1，…，N2
在本实施例中，所述方法对系统在所述中继节点上的功率分配矩阵D、所述系统在所述源节点上的第一预编码矩阵B、及所述系统在所述中继节点上的第二预编码矩阵F进行最优值优化时，都需满足上述收发机参数优化条件，方能实现对所述系统的通信过程的联合优化。
在本实施例中，所述方法在得到所述第一信道矩阵H及所述第二信道矩阵G各自对应的奇异值分解表达式后，可根据所述第一预编码矩阵B及所述第二预编码矩阵F各自与所述第一信道矩阵H及所述第二信道矩阵G之间的关联关系，将所述第一预编码矩阵B及所述第二预编码矩阵F各自对应的最优结构按照如下式子进行表示：
Figure BDA0001781432110000093
其中，(·)*表示最优值，Vh，1表示第一信道矩阵H对应右侧子矩阵Vh的最左边的N2列，Λ1表示第一预编码矩阵B对应的N2×N2的对角矩阵，Vg，1表示第二信道矩阵G对应右侧子矩阵Vg的最左边的N2列，Λf表示第二预编码矩阵F对应的N2×N2的对角矩阵。
此时，上述的收发机参数优化条件将由带有矩阵变量的式子，转换为如下的带有标量变量的功率分配优化式子进行表示：
Figure BDA0001781432110000094
Figure BDA0001781432110000095
di≥0，λ1，i≥0，λf，i≥0，i＝1，…，N2
其中，
Figure BDA0001781432110000101
λ1,i表示Λ1的第i个对角元素，λf,i表示Λf的第i个对角元素，(·)T表示矩阵的转置。
在本实施例中，所述方法引入qi＝diλ1，i，i＝1，…，N2，则上述的功率分配优化式子可转换为如下的系统分量优化式子进行表示：
Figure BDA0001781432110000102
Figure BDA0001781432110000103
Figure BDA0001781432110000104
Figure BDA0001781432110000105
Figure BDA0001781432110000106
λ1，i≥qi≥0，λf，i≥0， i＝1，…，N2
其中，
Figure BDA0001781432110000108
λh,i表示第一对角矩阵Λh的第i个对角元素，λg,i表示第二对角矩阵Λg的第i个对角元素，t表示所述系统分量优化式子中的松弛分量，其数值为
Figure BDA0001781432110000107
在本实施例中，所述方法可通过求解上述系统分量优化式子对应的最优解的方式，得到所述系统对应的最优的第一预编码矩阵B*、最优的第二预编码矩阵F*、最优的功率分配矩阵D*，实现对所述系统的收发机参数联合优化。
请参照图2，是图1中所示的步骤S230包括的子步骤的一种流程示意图。在本发明实施例中，所述步骤S230包括子步骤S231、子步骤S232及子步骤S233。
子步骤S231，根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵的对角元素集合及所述第二对角矩阵的对角元素集合，基于原-对偶内点法计算求得所述系统当前最优的功率分配矩阵，并相应得到所述第一预编码矩阵所对应的最优对角矩阵及所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵。
在本实施例中，所述方法基于原-对偶内点法引入所述系统对应的原变量分量e及对偶变量分量μ，其中此时上述的系统分量优化式子可简化为：
Figure BDA0001781432110000112
Figure BDA0001781432110000113
其中，g(e)表示简化后的所述系统分量优化式子中关于原变量分量e的优化条件矩阵，g(e)可用如下矩阵表示：
所述原变量分量e与所述对偶变量分量μ之间存在满足所述系统的能量约束条件及功率约束条件的KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件，该KKT条件在上述简化后的系统分量优化式子中的KKT条件表达方程如下所示：
Figure BDA0001781432110000115
其中，
Figure BDA0001781432110000116
是上述简化后的系统分量优化式子中目标函数
Figure BDA0001781432110000117
的二阶导数矩阵。Dg(e)是优化条件矩阵g(e)的一阶导数矩阵。
Figure BDA0001781432110000118
是约束条件函数
Figure BDA0001781432110000119
中第i个约束的二阶导数矩阵，其中i＝1，…，3N2+1。rd(e，μ)为原变量分量e与对偶变量分量μ之间的对偶残差，rc(e，μ)为原变量分量e与对偶变量分量μ之间的中心残差，Δe为原变量分量e的牛顿步长，Δμ为对偶变量分量μ的牛顿步长。
在本实施例中，的矩阵表示形式为
Figure BDA0001781432110000122
在本实施例中，Dg(e)的矩阵表示形式为：
Figure BDA0001781432110000123
其中，1p×q为p×q的元素均为1的矩阵，
Figure BDA0001781432110000124
Figure BDA0001781432110000125
在本实施例中，
Figure BDA0001781432110000126
的矩阵表示形式为：
Figure BDA0001781432110000127
其中，J的矩阵表达式为
Figure BDA0001781432110000128
K的矩阵表达式为
Figure BDA0001781432110000129
在本实施例中，所述基于原-对偶内点法计算求得所述系统当前最优的功率分配矩阵D*，并相应得到所述第一预编码矩阵B所对应的最优对角矩阵Λ1 *及所述第二预编码矩阵F所对应的最优对角矩阵Λf *的步骤包括：
基于原-对偶内点法对所述系统对应的原变量分量e及对偶变量分量μ进行迭代求解，得到满足所述系统的能量约束条件及功率约束条件的最优原变量分量e*及最优对偶变量分量μ*；
对得到的所述最优原变量分量e*进行矩阵转置及矩阵分解，对应得到最优的功率分配矩阵D*、所述第一预编码矩阵B所对应的最优对角矩阵Λ1 *及所述第二预编码矩阵F所对应的最优对角矩阵Λf *。
其中，所述基于原-对偶内点法对所述系统对应的原变量分量e及对偶变量分量μ进行迭代求解，得到满足所述系统的能量约束条件及功率约束条件的最优原变量分量e*及最优对偶变量分量μ*的步骤包括：
在计算所述原变量分量e及最优对偶变量分量μ的每个迭代过程中，针对当前迭代出现的原变量分量e及对偶变量分量μ，计算该原变量分量e与该对偶变量分量μ之间的对偶残差rd(e，μ)及原始参考因子κ；
将所述对偶残差rd(e，μ)对应的欧式范数及所述原始参考因子κ分别与所述系统的对偶可行公差及原始可行公差进行比较，并在均大于时基于所述原始参考因子κ求解该原变量分量e与该对偶变量分量μ之间的中心残差rc(e，μ)；
基于所述中心残差rc(e，μ)及所述对偶残差rd(e，μ)求解与所述系统的能量约束条件及功率约束条件匹配的KKT条件表达方程，得到与所述原变量分量e及所述对偶变量分量匹配μ的牛顿搜索方向；
对所述牛顿搜索方向进行解析，得到所述原变量分量e的牛顿步长Δe及所述对偶变量分量μ的牛顿步长Δμ，根据所述原变量分量e的牛顿步长Δe及所述对偶变量分量μ的牛顿步长Δμ计算得到当前迭代过程所对应的最优原变量分量e*及最优对偶变量分量μ*，并以当前迭代过程的最优原变量分量e*及最优对偶变量分量μ*分别作为下次迭代过程出现的原变量分量e及对偶变量分量μ。
在本实施例中，上述基于原-对偶内点法对所述系统对应的原变量分量e及对偶变量分量μ进行迭代求解，得到满足所述系统的能量约束条件及功率约束条件的最优原变量分量e*及最优对偶变量分量μ*的执行过程可通过如下类似代码程序实现：
Initialization：原始可行公差∈p、对偶可行公差∈d、ρ>1、τ∈[0.3，0.8]、φ∈[0.01，0.1]、原变量分量e及对偶变量分量μ；
计算对偶残差rd(e，μ)，及原始参考因子κ＝-g(e)Tμ；
While||rd(e，μ)||2>∈d and k>∈p do
计算ω＝(3N2+4)ρ/κ，并基于计算出的ω计算中心残差rc(e，μ)；
基于rd(e，μ)及rc(e，μ)求解KKT条件表达方程，得到与e和μ匹配的牛顿搜索方向[ΔeT，ΔμT]T；
基于[ΔeT，ΔμT]T得到e对应的牛顿步长Δe，及μ对应的牛顿步长Δμ；
计算ξ＝0.99min{1，min{-μi/Δμi|Δμi＜0}；
Let e*＝e；
Figure BDA0001781432110000141
ξ:＝τξ；
e*＝e+ξΔe；
end While
Letμ*＝μ；
While||[rd(e*，μ*)T，rc(e*，μ*)T]T||2＞(1-φξ)×||[rd(e，μ)T，rc(e，μ)T]T||2do
ξ:＝τξ；
μ*＝μ+ξΔμ；
end While
Figure BDA0001781432110000142
Set e＝eo，μ＝μo，andκ＝-g(e)Tμ；
end While
其中，所述对偶残差rd(e，μ)的计算表达式为
Figure BDA0001781432110000143
为上述简化后的系统分量优化式子中目标函数
Figure BDA0001781432110000145
的一阶导数矩阵，
Figure BDA0001781432110000146
的矩阵表达形式为
Figure BDA0001781432110000147
所述中心残差rc(e，μ)的计算表达式为
Figure BDA0001781432110000151
||·||2表示欧式范数。
在本实施例中，所述方法在得到的所述最优原变量分量e*后，通过对所述最优原变量分量e*进行矩阵转置及矩阵分解的方式，得到最优的功率分配矩阵D*、所述第一预编码矩阵B所对应的最优对角矩阵Λ1 *及所述第二预编码矩阵F所对应的最优对角矩阵Λf *。
子步骤S232，根据所述第一预编码矩阵B当前对应的最优对角矩阵Λ1 *，及所述第一预编码矩阵B与所述第一信道矩阵H之间的关联关系，计算得到当前最优的所述第一预编码矩阵B*。
子步骤S233，根据所述第二预编码矩阵F当前对应的最优对角矩阵Λf *，及所述第二预编码矩阵F与所述第二信道矩阵G之间的关联关系，计算得到当前最优的所述第二预编码矩阵F*。
在本实施例中，所述方法在得到所述第一预编码矩阵B对应的最优对角矩阵Λ1 *，及所述第二预编码矩阵F对应的最优对角矩阵Λf *后，分别根据所述第一预编码矩阵B的最优结构表达式及所述第二预编码矩阵F的最优结构表达式
Figure BDA0001781432110000153
计算得到所述系统对应的当前最优的所述第一预编码矩阵B*及最优的所述第二预编码矩阵F*。
请参照图3，是本发明实施例提供的收发机联合优化方法的另一种流程示意图。在本发明实施例中，所述收发机联合优化方法还包括：
步骤S240，采用优化后的第一预编码矩阵配置所述源节点，并采用优化后的所述功率分配矩阵及所述第二预编码矩阵配置所述中继节点，以使所述系统基于优化后的预编码矩阵及优化后的功率分配矩阵进行通信。
请参照图4，是本发明实施例提供的收发机联合优化装置100的一种方框示意图。在本发明实施例中，所述收发机联合优化装置100应用于上述的基于PS协议的无线供能MIMO中继系统，所述收发机联合优化装置100包括信息获取模块110、矩阵分解模块120及联合优化模块130。
所述信息获取模块110，用于获取所述源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵、所述中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵、所述中继节点提取来自所述源节点的源信号中的能量时的能量转换率、所述源节点上的标称功率、所述源节点与所述中继节点之间的第一噪声方差及所述中继节点与所述目的节点之间的第二噪声方差。
在本实施例中，所述信息获取模块110可以执行图1中所示的步骤S210，具体的描述可参照上文中对步骤S210的详细描述。
所述矩阵分解模块120，用于分别对所述第一信道矩阵及所述第二信道矩阵进行奇异值分解，得到所述第一信道矩阵对应的第一对角矩阵，及所述第二信道矩阵对应的第二对角矩阵。
在本实施例中，所述矩阵分解模块120可以执行图1中所示的步骤S220，具体的描述可参照上文中对步骤S220的详细描述。
所述联合优化模块130，用于根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵及所述第二对角矩阵按照能量约束条件及功率约束条件对所述源节点上用于传输源信号的第一预编码矩阵、所述中继节点上用于分离所述源信号中的能量和信息的功率分配矩阵，及所述中继节点上用于传输所述源信号中的信息的第二预编码矩阵进行优化。
在本实施例中，所述联合优化模块130可以执行图1中所示的步骤S230，具体的描述可参照上文中对步骤S230的详细描述。
可选地，请参照图5，是图4中所示的联合优化模块130的一种方框示意图。在本实施例中，所述联合优化模块130包括最优参数求解子模块131及预编码优化子模块132。
所述最优参数求解子模块131，用于根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵的对角元素集合及所述第二对角矩阵的对角元素集合，基于原-对偶内点法计算求得所述系统当前最优的功率分配矩阵，并相应得到所述第一预编码矩阵所对应的最优对角矩阵及所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵。
在本实施例中，所述最优参数求解子模块131可以执行图2中所示的子步骤S231，具体的描述可参照上文中对子步骤S231的详细描述。
所述预编码优化子模块132，用于根据所述第一预编码矩阵当前对应的最优对角矩阵，及所述第一预编码矩阵与所述第一信道矩阵之间的关联关系，计算得到当前最优的所述第一预编码矩阵；
所述预编码优化子模块132，还用于根据所述第二预编码矩阵当前对应的最优对角矩阵，及所述第二预编码矩阵与所述第二信道矩阵之间的关联关系，计算得到当前最优的所述第二预编码矩阵。
在本实施例中，所述预编码优化子模块132可以执行图2中所示的子步骤S232及子步骤S233，具体的描述可参照上文中对子步骤S232及子步骤S233的详细描述。
请参照图6，是本发明实施例提供的收发机联合优化装置100的另一种方框示意图。在本发明实施例中，所述收发机联合优化装置100还可以包括配置模块140。
所述配置模块140，用于采用优化后的第一预编码矩阵配置所述源节点，并采用优化后的所述功率分配矩阵及所述第二预编码矩阵配置所述中继节点，以使所述系统基于优化后的预编码矩阵及优化后的功率分配矩阵进行通信。
综上所述，在本发明实施例提供的收发机联合优化方法及装置中，所述方法能够对无线供能MIMO中继系统对应的收发机参数进行联合优化的方式，对该中继系统各节点的通信过程进行优化，从而增强该中继系统的信号传输效率，其中所述收发机参数包括所述源节点上用于传输源信号的第一预编码矩阵、所述中继节点上用于分离所述源信号中的能量和信息的功率分配矩阵，及所述中继节点上用于传输所述源信号中的信息的第二预编码矩阵。所述方法应用于无线供能MIMO中继系统，所述系统包括源节点、中继节点及目的节点，其中所述源节点发送包括能量与信息的源信号给所述中继节点，由所述中继节点基于所述源信号中的能量将所述源信号中的信息发送给所述目的节点，所述源节点、所述中继节点及所述目的节点基于PS协议的DF(Decode-and-Forward，解码前传)技术进行信号通信。首先，所述方法获取所述源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵、所述中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵、所述中继节点提取来自所述源节点的源信号中的能量时的能量转换率、所述源节点上的标称功率、所述源节点与所述中继节点之间的第一噪声方差及所述中继节点与所述目的节点之间的第二噪声方差。接着，所述方法分别对所述第一信道矩阵及所述第二信道矩阵进行奇异值分解，得到所述第一信道矩阵对应的第一对角矩阵，及所述第二信道矩阵对应的第二对角矩阵。最后，所述方法根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵及所述第二对角矩阵按照能量约束条件及功率约束条件对所述源节点上用于传输源信号的第一预编码矩阵、所述中继节点上用于分离所述源信号中的能量和信息的功率分配矩阵，及所述中继节点上用于传输所述源信号中的信息的第二预编码矩阵进行优化，通过能量约束及功率约束的方式调整优化所述系统的功率分配矩阵及各预编码矩阵，以提高所述中继系统对信号的传输效率及传输数据量。
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。

Claims (8)

1.一种收发机联合优化方法，其特征在于，应用于基于功率分配PS协议的无线供能多输入多输出MIMO中继系统，所述系统包括源节点、中继节点及目的节点，其中所述源节点发送包括能量与信息的源信号给所述中继节点，由所述中继节点基于所述源信号中的能量将所述源信号中的信息发送给所述目的节点，所述方法包括：
获取所述源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵、所述中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵、所述中继节点提取来自所述源节点的源信号中的能量时的能量转换率、所述源节点上的标称功率、所述源节点与所述中继节点之间的第一噪声方差及所述中继节点与所述目的节点之间的第二噪声方差；
分别对所述第一信道矩阵及所述第二信道矩阵进行奇异值分解，得到所述第一信道矩阵对应的第一对角矩阵，及所述第二信道矩阵对应的第二对角矩阵；
根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵及所述第二对角矩阵按照能量约束条件及功率约束条件对所述源节点上用于传输源信号的第一预编码矩阵、所述中继节点上用于分离所述源信号中的能量和信息的功率分配矩阵，及所述中继节点上用于传输所述源信号中的信息的第二预编码矩阵进行优化；
其中，所述根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵及所述第二对角矩阵按照能量约束条件及功率约束条件对所述源节点上用于传输源信号的第一预编码矩阵、所述中继节点上用于分离所述源信号中的能量和信息的功率分配矩阵，及所述中继节点上用于传输所述源信号中的信息的第二预编码矩阵进行优化的步骤包括：
根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵的对角元素集合及所述第二对角矩阵的对角元素集合，基于原-对偶内点法计算求得所述系统当前最优的功率分配矩阵，并相应得到所述第一预编码矩阵所对应的最优对角矩阵及所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵；
根据所述第一预编码矩阵当前对应的最优对角矩阵，及所述第一预编码矩阵与所述第一信道矩阵之间的关联关系，计算得到当前最优的所述第一预编码矩阵；
根据所述第二预编码矩阵当前对应的最优对角矩阵，及所述第二预编码矩阵与所述第二信道矩阵之间的关联关系，计算得到当前最优的所述第二预编码矩阵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于原-对偶内点法计算求得所述系统当前最优的功率分配矩阵，并相应得到所述第一预编码矩阵所对应的最优对角矩阵及所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵的步骤包括：
基于原-对偶内点法对所述系统对应的原变量分量及对偶变量分量进行迭代求解，得到满足所述系统的能量约束条件及功率约束条件的最优原变量分量及最优对偶变量分量；
对得到的所述最优原变量分量进行矩阵转置及矩阵分解，对应得到最优的功率分配矩阵、所述第一预编码矩阵所对应的最优对角矩阵及所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于原-对偶内点法对所述系统对应的原变量分量及对偶变量分量进行迭代求解，得到满足所述系统的能量约束条件及功率约束条件的最优原变量分量及最优对偶变量分量的步骤包括：
在计算所述原变量分量及最优对偶变量分量的每个迭代过程中，针对当前迭代出现的原变量分量及对偶变量分量，计算该原变量分量与该对偶变量分量之间的对偶残差及原始参考因子；
将所述对偶残差对应的欧式范数及所述原始参考因子分别与所述系统的对偶可行公差及原始可行公差进行比较，并在均大于时基于所述原始参考因子求解该原变量分量与该对偶变量分量之间的中心残差；
基于所述中心残差及所述对偶残差求解与所述系统的能量约束条件及功率约束条件匹配的KKT条件表达方程，得到与所述原变量分量及所述对偶变量分量匹配的牛顿搜索方向；
对所述牛顿搜索方向进行解析，得到所述原变量分量的牛顿步长及所述对偶变量分量的牛顿步长，根据所述原变量分量的牛顿步长及所述对偶变量分量的牛顿步长计算得到当前迭代过程所对应的最优原变量分量及最优对偶变量分量，并以当前迭代过程的最优原变量分量及最优对偶变量分量分别作为下次迭代过程出现的原变量分量及对偶变量分量。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用优化后的第一预编码矩阵配置所述源节点，并采用优化后的所述功率分配矩阵及所述第二预编码矩阵配置所述中继节点，以使所述系统基于优化后的预编码矩阵及优化后的功率分配矩阵进行通信。
5.一种收发机联合优化装置，其特征在于，应用于基于功率分配PS协议的无线供能多输入多输出MIMO中继系统，所述系统包括源节点、中继节点及目的节点，其中所述源节点发送包括能量与信息的源信号给所述中继节点，由所述中继节点基于所述源信号中的能量将所述源信号中的信息发送给所述目的节点，所述装置包括：
信息获取模块，用于获取所述源节点与所述中继节点之间的第一信道矩阵、所述中继节点与所述目的节点之间的第二信道矩阵、所述中继节点提取来自所述源节点的源信号中的能量时的能量转换率、所述源节点上的标称功率、所述源节点与所述中继节点之间的第一噪声方差及所述中继节点与所述目的节点之间的第二噪声方差；
矩阵分解模块，用于分别对所述第一信道矩阵及所述第二信道矩阵进行奇异值分解，得到所述第一信道矩阵对应的第一对角矩阵，及所述第二信道矩阵对应的第二对角矩阵；
联合优化模块，用于根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵及所述第二对角矩阵按照能量约束条件及功率约束条件对所述源节点上用于传输源信号的第一预编码矩阵、所述中继节点上用于分离所述源信号中的能量和信息的功率分配矩阵，及所述中继节点上用于传输所述源信号中的信息的第二预编码矩阵进行优化；
其中，所述联合优化模块包括：
最优参数求解子模块，用于根据所述标称功率、所述第一噪声方差、所述第二噪声方差、所述能量转换率、所述第一对角矩阵的对角元素集合及所述第二对角矩阵的对角元素集合，基于原-对偶内点法计算求得所述系统当前最优的功率分配矩阵，并相应得到所述第一预编码矩阵所对应的最优对角矩阵及所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵；
预编码优化子模块，用于根据所述第一预编码矩阵当前对应的最优对角矩阵，及所述第一预编码矩阵与所述第一信道矩阵之间的关联关系，计算得到当前最优的所述第一预编码矩阵；
所述预编码优化子模块，还用于根据所述第二预编码矩阵当前对应的最优对角矩阵，及所述第二预编码矩阵与所述第二信道矩阵之间的关联关系，计算得到当前最优的所述第二预编码矩阵。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述最优参数求解子模块基于原-对偶内点法计算求得所述系统当前最优的功率分配矩阵，并相应得到所述第一预编码矩阵所对应的最优对角矩阵及所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵的方式包括：
基于原-对偶内点法对所述系统对应的原变量分量及对偶变量分量进行迭代求解，得到满足所述系统的能量约束条件及功率约束条件的最优原变量分量及最优对偶变量分量；
对得到的所述最优原变量分量进行矩阵转置及矩阵分解，对应得到最优的功率分配矩阵、所述第一预编码矩阵所对应的最优对角矩阵及所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述最优参数求解子模块基于原-对偶内点法对所述系统对应的原变量分量及对偶变量分量进行迭代求解，得到满足所述系统的能量约束条件及功率约束条件的最优原变量分量及最优对偶变量分量的方式包括：
在计算所述原变量分量及最优对偶变量分量的每个迭代过程中，针对当前迭代出现的原变量分量及对偶变量分量，计算该原变量分量与该对偶变量分量之间的对偶残差及原始参考因子；
将所述原始参考因子及所述对偶残差对应的欧式范数分别与所述系统的原始可行公差及对偶可行公差进行比较，并在均大于时基于所述原始参考因子求解该原变量分量与该对偶变量分量之间的中心残差；
基于所述中心残差及所述对偶残差求解与所述系统的能量约束条件及功率约束条件匹配的KKT条件表达方程，得到与所述原变量分量及所述对偶变量分量匹配的牛顿搜索方向；
对所述牛顿搜索方向进行解析，得到所述原变量分量的牛顿步长及所述对偶变量分量的牛顿步长，根据所述原变量分量的牛顿步长及所述对偶变量分量的牛顿步长计算得到当前迭代过程所对应的最优原变量分量及最优对偶变量分量，并以当前迭代过程的最优原变量分量及最优对偶变量分量分别作为下次迭代过程出现的原变量分量及对偶变量分量。
8.根据权利要求5-7中任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
配置模块，用于采用优化后的第一预编码矩阵配置所述源节点，并采用优化后的所述功率分配矩阵及所述第二预编码矩阵配置所述中继节点，以使所述系统基于优化后的预编码矩阵及优化后的功率分配矩阵进行通信。
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