CN109120319A - 收发机联合优化方法及装置 - Google Patents

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CN109120319A CN201810995093.4A CN201810995093A CN109120319A CN 109120319 A CN109120319 A CN 109120319A CN 201810995093 A CN201810995093 A CN 201810995093A CN 109120319 A CN109120319 A CN 109120319A
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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TS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、能量转换率及标称功率；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、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对所述系统的时间切换因子、第一预编码矩阵、第二预编码矩阵及第三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，应用于基于时间切换TS(Time Switching)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，其中所述中继节点由所述源节点发送能量信号进行无线供能以将来自所述源节点的信息信号传输给所述目的节点，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、所述中继节点接收来自所述源节点的能量信号的能量转换率及所述源节点上的标称功率；
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对所述系统的时间切换因子、所述源节点上用于传输能量信号的第一预编码矩阵、所述源节点上用于传输信息信号的第二预编码矩阵，及所述中继节点上用于传输来自所述源节点的信息信号的第三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，应用于基于时间切换TS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，其中所述中继节点由所述源节点发送能量信号进行无线供能以将来自所述源节点的信息信号传输给所述目的节点，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、所述中继节点接收来自所述源节点的能量信号的能量转换率及所述源节点上的标称功率；
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对所述系统的时间切换因子、所述源节点上用于传输能量信号的第一预编码矩阵、所述源节点上用于传输信息信号的第二预编码矩阵，及所述中继节点上用于传输来自所述源节点的信息信号的第三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系统的时间切换因子、所述源节点上用于传输能量信号的第一预编码矩阵、所述源节点上用于传输信息信号的第二预编码矩阵，及所述中继节点上用于传输来自所述源节点的信息信号的第三预编码矩阵。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，其中所述中继节点由所述源节点发送能量信号进行无线供能以将来自所述源节点的信息信号传输给所述目的节点，所述源节点、所述中继节点及所述目的节点基于TS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、所述中继节点接收来自所述源节点的能量信号的能量转换率及所述源节点上的标称功率。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对所述系统的时间切换因子、所述源节点上用于传输能量信号的第一预编码矩阵、所述源节点上用于传输信息信号的第二预编码矩阵，及所述中继节点上用于传输来自所述源节点的信息信号的第三预编码矩阵进行优化，从而通过能量约束的方式调整优化所述系统的时间切换因子及各预编码矩阵，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TS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能量信号来对所述中继节点进行无线功能，所述源节点向所述中继节点发送信息信号，由所述中继节点基于所述能量信号对应的能量将所述信息信号传输给所述目的节点，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系统的时间切换因子、所述源节点上用于传输能量信号的第一预编码矩阵、所述源节点上用于传输信息信号的第二预编码矩阵，及所述中继节点上用于传输来自所述源节点的信息信号的第三预编码矩阵。
在本实施例中，若无线供能MIMO中继系统对一个信息信号进行传输通信的信号传输周期为T时，该信号传输周期可划分为三个时间段，第一时间段对应时长为αT，此时由源节点将能量信号发送给所述中继节点；第二时间段对应时长为(1-α)T/2，此时由源节点将信息信号发送给所述中继节点；第三时间段对应时长也为(1-α)T/2，此时由所述中继节点使用所述能量信号对应能量将所述信息信号发送给所述目的节点。其中，α即为所述系统的时间切换因子，其数值大于0而小于1。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、所述中继节点接收来自所述源节点的能量信号的能量转换率及所述源节点上的标称功率。
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的方差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的方差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：
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对所述系统的时间切换因子、所述源节点上的第一预编码矩阵、所述源节点上的第二预编码矩阵，及所述中继节点上的第三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能量信号给所述中继节点，所述第二预编码矩阵用于传输信息信号给所述中继节点，所述第三预编码矩阵用于传输来自所述源节点的信息信号给所述目的节点。所述系统在对一个信息信号进行传输通信时，需要在所述源节点通过第一预编码矩阵对能量信号进行预编码后发送给所述中继节点，然后在所述源节点通过第二预编码矩阵对信息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能量信号及编码后的信息信号后，通过对编码后的能量信号及编码后的信息信号进行解码，得到所述能量信号对应能量及所述信息信号对应信息，并通过第三预编码矩阵对所述信息信号对应信息进行预编码后，基于所述能量信号对应的能量将经所述第三预编码矩阵处理的信息信号发送给所述目的节点。
其中，由所述源节点发送的所述能量信号为N1×1的信号向量s1，对应的所述第一预编码矩阵为用B1表示的Ns×N1的编码矩阵。由所述源节点发送的所述信息信号为N2×1的信号向量s2，对应的所述第二预编码矩阵为用B2表示的Ns×N2的编码矩阵。所述第三预编码矩阵为用F表示的Nr×N2的编码矩阵，对应的由所述第三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信号为N2×1的信号向量
在本实施例中，本系统对应的所述能量约束条件可用如下式子进行表示：
其中，tr(·)表示矩阵的迹，PS表示源节点当前的标称功率，MI(·)表示源节点与目的节点之间的交互信息，(·)H表示厄密共轭转置。在本实施例中，所述方法对系统的时间切换因子α、所述源节点上的第一预编码矩阵B1、所述源节点上的第二预编码矩阵B2，及所述中继节点上的第三预编码矩阵F进行最优值优化时，都需满足上述能量约束条件，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，上述能量约束条件中的交互信息MI(α，B2，F)可用下式进行表示：
其中，是一个N2×N2的单位矩阵，，|·|表示矩阵行列式，表示所述源节点与所述中继节点之间的加性高斯白噪声vr的方差，表示所述中继节点与所述目的节点之间的加性高斯白噪声vd的方差，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。
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B1、所述第二预编码矩阵B2及所述第三预编码矩阵F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B1、所述第二预编码矩阵B2及所述第三预编码矩阵F各自对应的最优结构按照如下式子进行表示：
其中，(·)*表示最优值，λb表示第一预编码矩阵B1对应的正定标量，vh,1表示第一信道矩阵H对应右侧子矩阵Vh的第一列，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，Λ2表示第二预编码矩阵B2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表示第三预编码矩阵F对应的N2×N2的对角矩阵。
此时，上述的能量约束条件将由带有矩阵变量的收发机参数优化标准的式子，转换为如下的带有标量变量的功率分配优化标准的功率分配优化式子进行表示：
λ2，i≥0，λf，i≥0，i＝1，…，N2
其中，λ2,i表示Λ2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，所述方法引入则对i＝1,···,N2存在以下参数：
其中，xi表示所述系统对应的第一基础分量，yi表示所述系统对应的第二基础分量，ai表示所述系统对应的第三基础分量，bi表示所述系统对应的第四基础分量，λh，i表示Λh的第i个对角元素，λg，i表示Λg的第i个对角元素，此时上述的功率分配优化式子可转换为如下的基础分量优化式子进行表示：
0＜α＜1，xi≥0，yi≥0，i＝1，…，N2
其中，而对于一个给定的α，可用松弛分量t表示此时上述的基础分量优化式子可转换为如下的系统分量优化式子进行表示：
xi≥0，yi≥0，i＝1，…，N2
在本实施例中，所述方法可通过求解最优的时间切换因子α*、最优松弛分量t*、最优的第一基础分量及最优的第二基础分量的方式，得到所述系统对应的最优的所述第一预编码矩阵B1 *、最优的所述第二预编码矩阵B2 *、最优的所述第三预编码矩阵F*，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、子步骤S233及子步骤S234。
子步骤S231，根据所述第一对角矩阵、所述第二对角矩阵、所述标称功率及所述能量转换率基于黄金分割搜索法计算求得所述系统当前最优的时间切换因子，并相应得到所述第一预编码矩阵对应的最优正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵，及所述第三预编码矩阵所对应的最优对角矩阵。
在本实施例中，所述方法根据所述第一对角矩阵Λh及所述第二对角矩阵Λg计算所述系统对应的第三基础分量ai及所述系统对应的第四基础分量bi，其中i＝1,···,N2。然后所述方法将根据所述第三基础分量ai及所述第四基础分量bi按照黄金分割搜索法求解最优的时间切换因子α*，并在α*的求解过程中基于上述的系统参量优化式子得到所述第一预编码矩阵B1对应的最优正定标量λb *、所述第二预编码矩阵B2所对应的最优对角矩阵Λ2 *，及所述第三预编码矩阵F所对应的最优对角矩阵Λf *。
其中，所述方法可通过如下类似代码程序求得所述最优的时间切换因子α*、所述第一预编码矩阵B1对应的最优正定标量λb *、所述第二预编码矩阵B2所对应的最优对角矩阵Λ2 *，及所述第三预编码矩阵F所对应的最优对角矩阵Λf *：
Initialization:αl＝0andαu＝1；
While|αu-αl|>εdo
Defineν1＝(δ-1)αl+(2-δ)αu andν2＝(2-δ)αl+(δ-1)αu；
基于α＝ν1求解上述系统分量优化式子，得到α＝ν1时的最优松弛分量t*、最优的第一基础分量及最优的第二基础分量并基于α＝ν1计算F(ν1)；
基于α＝ν2求解上述系统分量优化式子，得到α＝ν2时的最优松弛分量t*、最优的第一基础分量及最优的第二基础分量并基于α＝ν2计算F(ν2)；
if F(ν1)<F(ν2)then
Assignαl＝ν1；
else
Assignαu＝ν2；
end if
end While
α*＝(αu+αl)/2；
其中，ε为接近于0的正常数，下降因子δ等于1.618，(·)*表示最优值，αl为时间切换因子α的下限数值，αu为时间切换因子α的上限数值，ν1与ν2为黄金分割搜索法求解最优时间切换因子α*的过程中迭代出现的切换因子，λb *为所述第一预编码矩阵B1对应的最优正定标量，为所述第二预编码矩阵B2所对应的最优对角矩阵Λ2 *的第i个对角元素，为所述第三预编码矩阵F所对应的最优对角矩阵Λf *的第i个对角元素，函数F(α)可用表示，M(α)为α在系统分量优化式子中对应的的值。
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。在本实施例中，所述子步骤S231中相应得到所述第一预编码矩阵对应的最优正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵，及所述第三预编码矩阵所对应的最优对角矩阵的步骤包括：
在计算所述最优的时间切换因子的过程中，基于所述标称功率、所述第一对角矩阵的对角元素集合、所述第二对角矩阵的对角元素集合、所述能量转换率及每个迭代出现的切换因子，按照二分搜索法计算与所述迭代出现的切换因子对应的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量；
根据最终计算得到的所述最优的时间切换因子所对应的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量，以及所述第一基础分量、所述第二基础分量、所述第一预编码矩阵对应的正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的对角矩阵及所述第三预编码矩阵所对应的对角矩阵之间的关联关系，计算得到所述第一预编码矩阵对应的最优正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵，及所述第三预编码矩阵所对应的最优对角矩阵。
可选地，所述基于所述标称功率、所述第一对角矩阵的对角元素集合、所述第二对角矩阵的对角元素集合、所述能量转换率及每个迭代出现的切换因子，按照二分搜索法计算与所述迭代出现的切换因子对应的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量的执行过程即为上述代码程序中“基于α＝ν1求解上述系统分量优化式子，得到α＝ν1时的最优松弛分量t*、最优的第一基础分量及最优的第二基础分量”及“基于α＝ν2求解上述系统分量优化式子，得到α＝ν2时的最优松弛分量t*、最优的第一基础分量及最优的第二基础分量”的过程，其中ν1与ν2为黄金分割搜索法求解最优时间切换因子α*的过程中迭代出现的切换因子，该过程可用如下类似代码程序表示：
Initialization:tl and tu；
While|tu-tl|>εdo
t*＝(αu+αl)/2；
Set tu＝t*.
else
Set tl＝t*.
end if
end While
其中，tl为松弛分量t的下限数值，tu为松弛分量t的上限数值，β的数值可采用二分搜索法求解第一基础分量xi的松弛性互补方程得到，γ的数值可采用二分搜索法求解第二基础分量yi的松弛性互补方程得到，函数的数值为＝max{Z，0}。
所述方法在基于所述迭代出现的切换因子计算最优松弛分量t*的循环内，按照二分搜索法分别对与计算得到的最优松弛分量t*匹配的所述第一基础分量xi的松弛性互补方程(如上所示)及所述第二基础分量yi的松弛性互补方程(如上所示)进行求解，得到与所述迭代出现的切换因子和所述最优松弛分量匹配t*的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量
在本实施例中，所述方法在得到与最后一次迭代出现的切换因子匹配的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量将以所述最优的第一基础分量及所述最优的第二基础分量分别作为与所述最优的时间切换因子α*对应的最优的第一基础分量及所述最优的第二基础分量并计算得到所述第一预编码矩阵B1对应的最优正定标量λb *、所述第二预编码矩阵B2所对应的最优对角矩阵Λ2 *，及所述第三预编码矩阵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当前对应的最优正定标量，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。
子步骤S233，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一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。
子步骤S234，根据所述第三预编码矩阵当前对应的最优对角矩阵，及所述第三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三预编码矩阵。
在本实施例中，所述方法在得到所述最优的时间切换因子α*、所述第一预编码矩阵B1对应的最优正定标量λb *、所述第二预编码矩阵B2所对应的最优对角矩阵Λ2 *，及所述第三预编码矩阵F所对应的最优对角矩阵Λf *后，根据所述第一预编码矩阵B1、所述第二预编码矩阵B2及所述第三预编码矩阵F的最优结构表达式计算得到所述系统对应的三个最优的预编码矩阵。
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，采用优化后的时间切换因子配置所述系统的信号传输周期，采用优化后的第一预编码矩阵及第二预编码矩阵配置所述源节点，并采用优化后的第三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时间切换因子进行通信。
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TS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、所述中继节点接收来自所述源节点的能量信号的能量转换率及所述源节点上的标称功率。
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对所述系统的时间切换因子、所述源节点上用于传输能量信号的第一预编码矩阵、所述源节点上用于传输信息信号的第二预编码矩阵，及所述中继节点上用于传输来自所述源节点的信息信号的第三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，用于根据所述第一对角矩阵、所述第二对角矩阵、所述标称功率及所述能量转换率基于黄金分割搜索法计算求得所述系统当前最优的时间切换因子，并相应得到所述第一预编码矩阵对应的最优正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵，及所述第三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正定标量，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一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；
所述预编码优化子模块132，还用于根据所述第三预编码矩阵当前对应的最优对角矩阵，及所述第三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三预编码矩阵。
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、子步骤S233及子步骤S234，具体的描述可参照上文中对子步骤S232、子步骤S233及子步骤S234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，用于采用优化后的时间切换因子配置所述系统的信号传输周期，采用优化后的第一预编码矩阵及第二预编码矩阵配置所述源节点，并采用优化后的第三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时间切换因子进行通信。
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系统的时间切换因子、所述源节点上用于传输能量信号的第一预编码矩阵、所述源节点上用于传输信息信号的第二预编码矩阵，及所述中继节点上用于传输来自所述源节点的信息信号的第三预编码矩阵。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，其中所述中继节点由所述源节点发送能量信号进行无线供能以将来自所述源节点的信息信号传输给所述目的节点，所述源节点、所述中继节点及所述目的节点基于TS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、所述中继节点接收来自所述源节点的能量信号的能量转换率及所述源节点上的标称功率。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对所述系统的时间切换因子、所述源节点上用于传输能量信号的第一预编码矩阵、所述源节点上用于传输信息信号的第二预编码矩阵，及所述中继节点上用于传输来自所述源节点的信息信号的第三预编码矩阵进行优化，从而通过能量约束的方式调整优化所述系统的时间切换因子及各预编码矩阵，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 (10)

1.一种收发机联合优化方法，其特征在于，应用于基于时间切换TS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，其中所述中继节点由所述源节点发送能量信号进行无线供能以将来自所述源节点的信息信号传输给所述目的节点，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、所述中继节点接收来自所述源节点的能量信号的能量转换率及所述源节点上的标称功率；
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对所述系统的时间切换因子、所述源节点上用于传输能量信号的第一预编码矩阵、所述源节点上用于传输信息信号的第二预编码矩阵，及所述中继节点上用于传输来自所述源节点的信息信号的第三预编码矩阵进行优化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述标称功率、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对所述系统的时间切换因子、所述源节点上用于传输能量信号的第一预编码矩阵、所述源节点上用于传输信息信号的第二预编码矩阵，及所述中继节点上用于传输来自所述源节点的信息信号的第三预编码矩阵进行优化的步骤包括：
根据所述第一对角矩阵、所述第二对角矩阵、所述标称功率及所述能量转换率基于黄金分割搜索法计算求得所述系统当前最优的时间切换因子，并相应得到所述第一预编码矩阵对应的最优正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵，及所述第三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正定标量，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一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；
根据所述第三预编码矩阵当前对应的最优对角矩阵，及所述第三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三预编码矩阵。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相应得到所述第一预编码矩阵对应的最优正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵，及所述第三预编码矩阵所对应的最优对角矩阵的步骤包括：
在计算所述最优的时间切换因子的过程中，基于所述标称功率、所述第一对角矩阵的对角元素集合、所述第二对角矩阵的对角元素集合、所述能量转换率及每个迭代出现的切换因子，按照二分搜索法计算与所述迭代出现的切换因子对应的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量；
根据最终计算得到的所述最优的时间切换因子所对应的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量，以及所述第一基础分量、所述第二基础分量、所述第一预编码矩阵对应的正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的对角矩阵及所述第三预编码矩阵所对应的对角矩阵之间的关联关系，计算得到所述第一预编码矩阵对应的最优正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵，及所述第三预编码矩阵所对应的最优对角矩阵。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述按照二分搜索法计算与所述迭代出现的切换因子对应的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量的步骤包括：
在基于所述迭代出现的切换因子计算最优松弛分量的循环内，按照二分搜索法分别对与计算得到的最优松弛分量匹配的所述第一基础分量的松弛性互补方程及所述第二基础分量的松弛性互补方程进行求解，得到与所述迭代出现的切换因子和所述最优松弛分量匹配的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用优化后的时间切换因子配置所述系统的信号传输周期，采用优化后的第一预编码矩阵及第二预编码矩阵配置所述源节点，并采用优化后的第三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时间切换因子进行通信。
6.一种收发机联合优化装置，其特征在于，应用于基于时间切换TS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，其中所述中继节点由所述源节点发送能量信号进行无线供能以将来自所述源节点的信息信号传输给所述目的节点，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、所述中继节点接收来自所述源节点的能量信号的能量转换率及所述源节点上的标称功率；
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对所述系统的时间切换因子、所述源节点上用于传输能量信号的第一预编码矩阵、所述源节点上用于传输信息信号的第二预编码矩阵，及所述中继节点上用于传输来自所述源节点的信息信号的第三预编码矩阵进行优化。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述联合优化模块包括：
最优参数求解子模块，用于根据所述第一对角矩阵、所述第二对角矩阵、所述标称功率及所述能量转换率基于黄金分割搜索法计算求得所述系统当前最优的时间切换因子，并相应得到所述第一预编码矩阵对应的最优正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵，及所述第三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正定标量，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一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；
所述预编码优化子模块，还用于根据所述第三预编码矩阵当前对应的最优对角矩阵，及所述第三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三预编码矩阵。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述最优参数求解子模块相应得到所述第一预编码矩阵对应的最优正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵，及所述第三预编码矩阵所对应的最优对角矩阵的方式包括：
在计算所述最优的时间切换因子的过程中，基于所述标称功率、所述第一对角矩阵的对角元素集合、所述第二对角矩阵的对角元素集合、所述能量转换率及每个迭代出现的切换因子，按照二分搜索法计算与所述迭代出现的切换因子对应的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量；
根据最终计算得到的所述最优的时间切换因子所对应的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量，以及所述第一基础分量、所述第二基础分量、所述第一预编码矩阵对应的正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的对角矩阵及所述第三预编码矩阵所对应的对角矩阵之间的关联关系，计算得到所述第一预编码矩阵对应的最优正定标量、所述第二预编码矩阵所对应的最优对角矩阵，及所述第三预编码矩阵所对应的最优对角矩阵。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述最优参数求解子模块按照二分搜索法计算与所述迭代出现的切换因子对应的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量的方式包括：
在基于所述迭代出现的切换因子计算最优松弛分量的循环内，按照二分搜索法分别对与计算得到的最优松弛分量匹配的所述第一基础分量的松弛性互补方程及所述第二基础分量的松弛性互补方程进行求解，得到与所述迭代出现的切换因子和所述最优松弛分量匹配的最优的第一基础分量及最优的第二基础分量。
10.根据权利要求6-9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，用于采用优化后的时间切换因子配置所述系统的信号传输周期，采用优化后的第一预编码矩阵及第二预编码矩阵配置所述源节点，并采用优化后的第三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时间切换因子进行通信。
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