CN109474297A - 一种全双工信能同传天线模式切换收发机及收发方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全双工信能同传天线模式切换收发机，包括模式切换模块，用于依据和速率最大准则的自适应切换算法来切换收发机上各天线的工作模式；接收模块，用于当天线处于接收工作模式时，在天线接收到信号后，将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集；发送模块，用于当天线处于发送工作模式时，将处理后的待发送信号发送至各发送天线上进行发送；闲置模块，用于当天线处于闲置工作模式时，既不接收信号，也不发送信号。本发明还提供一种全双工信能同传天线模式切换收发方法，本发明优点：可实现传输性能的明显提升，同时可以最大化系统和速率。

Description

一种全双工信能同传天线模式切换收发机及收发方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种全双工信能同传天线模式切换收发机及收发方法。

背景技术

在目的节点或中继没有固定或稳定的能量来源时，节点还可通过采集信源发送的无线射频信号来获取能量，即无线能量采集技术，此技术提高了网络传输能效，并延长了无线网络的寿命，目前已受到学者们的广泛关注。节点可对传送能量与信息的信号进行相应的无线能量采集和信息解码操作，可实现信息和能量的同时传输，简称信能同传(SWIPT)。

在传统的SWIPT系统中，接收机仅针对单天线的接收信号进行信息处理与能量采集操作。为了收集到更多能量以保证可靠通信，学者们通常会利用多根天线来接收信号，然后统一送入时间分割或功率分割单元进行信息处理与能量采集，然而该方案却缺乏灵活性，未能有效挖掘多天线分集增益。

此外，现有的全双工MIMO系统收发天线的配置根据天线与发送和接收处理链路的连接方式的不同，可分为两种：共享天线和独立天线。在共享天线模式中，单根天线可同时发送和接收，由内置双工器区分收发信号。在独立天线模式中，单根天线只能发送或者接收，无法同时收发。独立天线又可分为固定独立天线和切换独立天线两种模式，其中，固定独立天线的发送或接收的功能固定，而切换独立天线则可自由切换。然而，共享天线和固定独立天线却无法充分利用多天线的独立空间衰落特性，影响了传输性能的提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种全双工信能同传天线模式切换收发机，通过该收发机可解决传统的固定天线模式的全双工传输方案存在的影响性能提升的问题。

本发明是这样实现技术问题之一的：一种全双工信能同传天线模式切换收发机，所述收发机包括模式切换模块、接收模块、发送模块以及闲置模块；

所述模式切换模块，用于依据和速率最大准则的自适应切换算法来切换收发机上各天线的工作模式；

所述接收模块，用于当天线处于接收工作模式时，在天线接收到信号后，将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集；

所述发送模块，用于当天线处于发送工作模式时，将处理后的待发送信号发送至各发送天线上进行发送；

所述闲置模块，用于当天线处于闲置工作模式时，既不接收信号，也不发送信号。

进一步地，在所述接收模块中，所述将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集具体为：

将接收的信号通过时间分割模式分割成β_iT和(1-β_i)T两个部分，并将β_iT用于信息处理，将(1-β_i)T用于能量采集；其中，T表示第i根天线的一个信息码元的传输时隙，β_i表示功率分割因子，且0≤β_i≤1。

进一步地，在所述接收模块中，所述将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集具体为：

将接收的信号通过功率分割模式分割成α_iP和(1-α_i)P两个部分，并将α_iP用于信息处理，将(1-α_i)P用于能量采集；其中，P表示第i根天线接收到的总功率，α_i表示功率分割因子，且0≤α_i≤1。

进一步地，在所述模式切换模块中，所述和速率最大准则的自适应切换算法具体包括如下步骤：

步骤A1、假定收发机D与收发机S进行全双工通信，所述收发机S共有两根天线，其中，一根为发送天线，一根为接收天线；所述收发机D共有N根天线，其中，N_t根为发送天线，N_r根为接收天线，N_t的变化范围为：1≤N_t≤N-1，N_r的变化范围为：1≤N_r≤N-1，需满足条件：2≤N_t+N_r≤N；收发机S的发送功率为P_s，则收发机D的接收信号为：

其中，g表示收发机S至收发机D的信道参数向量，x₁为收发机S的发送信号，P_D为收发机D的发送功率，F为收发机D的发送天线对接收天线的N_r×N_t维自干扰信道矩阵，x₂为收发机D的发送信号，w为收发机D的发送波束形成向量，n_D为收发机D的加性白高斯噪声向量；

步骤A2、设定收发机D采用时间分割的能量采集技术，则收发机D在能量采集时隙(1-β_i)T中采集的能量为：

其中，η表示无线能量采集中的能量转化效率因子；

根据式(2)可知，收发机D的接收信噪比为：

于是可得出收发机S至收发机D的传输效率为：

R_SD＝log₂(1+γ_D)； (4)

步骤A3、由于收发机D的发送信息的能量来源于所采集的能量，则收发机D的发送功率为：

于是，收发机S接收到收发机D发送的信号为：

其中，h表示收发机D至收发机S的信道参数向量；采用最大比发送准则来设计w，即w＝h^H；n_S为S的加性白高斯噪声；

基于式(6)可得出，收发机S的接收信噪比为：

于是，收发机D至收发机S的传输速率为：

R_DS＝log₂(1+γ_S)； (8)

步骤A4、系统和速率为：

R_sum＝R_SD+R_DS； (9)

步骤A5、采用和速率最大准则来设计天线模式的自适应切换，具体设计如下：

其中，Ant_i∈{发送，接收，闲置}，Ant_i表示第i根天线可在发送、接收以及闲置三种模式中任意选择一种，i∈{1,…,N}；{Mode_1^*,Mode_2^*,…,Mode_N^*}表示和速率最大化的最优天线的工作模式组合，Mode_i^*表示天线i的最优工作模式；表示每根天线上最优的时间分割因子；

同理，如果收发机D采用功率分割的能量采集技术，则只需将时间分割因子β_i替换为功率分割因子α_i，将每根天线上最优的时间分割因子替换为每根天线上最优的功率分割因子即可。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种全双工信能同传天线模式切换收发方法，通过该方法可解决传统的固定天线模式的全双工传输方案存在的影响性能提升的问题。

本发明是这样实现技术问题之二的：一种全双工信能同传天线模式切换收发方法，所述方法包括：

依据和速率最大准则的自适应切换算法来切换收发机上各天线的工作模式；

当天线处于接收工作模式时，在天线接收到信号后，将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集；

当天线处于发送工作模式时，将处理后的待发送信号发送至各发送天线上进行发送；

当天线处于闲置工作模式时，既不接收信号，也不发送信号。

进一步地，所述将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集具体为：

将接收的信号通过时间分割模式分割成β_iT和(1-β_i)T两个部分，并将β_iT用于信息处理，将(1-β_i)T用于能量采集；其中，T表示第i根天线的一个信息码元的传输时隙，β_i表示功率分割因子，且0≤β_i≤1。

进一步地，所述将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集具体为：

将接收的信号通过功率分割模式分割成α_iP和(1-α_i)P两个部分，并将α_iP用于信息处理，将(1-α_i)P用于能量采集；其中，P表示第i根天线接收到的总功率，α_i表示功率分割因子，且0≤α_i≤1。

进一步地，所述和速率最大准则的自适应切换算法具体包括如下步骤：

步骤A1、假定收发机D与收发机S进行全双工通信，所述收发机S共有两根天线，其中，一根为发送天线，一根为接收天线；所述收发机D共有N根天线，其中，N_t根为发送天线，N_r根为接收天线，N_t的变化范围为：1≤N_t≤N-1，N_r的变化范围为：1≤N_r≤N-1，需满足条件：2≤N_t+N_r≤N；收发机S的发送功率为P_s，则收发机D的接收信号为：

其中，g表示收发机S至收发机D的信道参数向量，x₁为收发机S的发送信号，P_D为收发机D的发送功率，F为收发机D的发送天线对接收天线的N_r×N_t维自干扰信道矩阵，x₂为收发机D的发送信号，w为收发机D的发送波束形成向量，n_D为收发机D的加性白高斯噪声向量；

步骤A2、设定收发机D采用时间分割的能量采集技术，则收发机D在能量采集时隙(1-β_i)T中采集的能量为：

其中，η表示无线能量采集中的能量转化效率因子；

根据式(2)可知，收发机D的接收信噪比为：

于是可得出收发机S至收发机D的传输效率为：

R_SD＝log₂(1+γ_D)； (4)

步骤A3、由于收发机D的发送信息的能量来源于所采集的能量，则收发机D的发送功率为：

于是，收发机S接收到收发机D发送的信号为：

其中，h表示收发机D至收发机S的信道参数向量；采用最大比发送准则来设计w，即w＝h^H；n_S为S的加性白高斯噪声；

基于式(6)可得出，收发机S的接收信噪比为：

于是，收发机D至收发机S的传输速率为：

R_DS＝log₂(1+γ_S)； (8)

步骤A4、系统和速率为：

R_sum＝R_SD+R_DS； (9)

步骤A5、采用和速率最大准则来设计天线模式的自适应切换，具体设计如下：

其中，Ant_i∈{发送，接收，闲置}，Ant_i表示第i根天线可在发送、接收以及闲置三种模式中任意选择一种，i∈{1,…,N}；{Mode_1^*,Mode_2^*,…,Mode_N^*}表示和速率最大化的最优天线的工作模式组合，Mode_i^*表示天线i的最优工作模式；表示每根天线上最优的时间分割因子；

同理，如果收发机D采用功率分割的能量采集技术，则只需将时间分割因子β_i替换为功率分割因子α_i，将每根天线上最优的时间分割因子替换为每根天线上最优的功率分割因子即可。

本发明具有如下优点：1、本发明的全双工天线可根据信道状态信息在三种工作模式下进行自适应切换，即：发送模式、接收模式和闲置模式；并与基于功率分割的能量采集技术或基于时间分割的能量采集技术相结合，可很好的实现能量的自补给，无需外界供能，而且每根天线的功率分割因子或时间分割因子都是可以优化调节的，可进一步提升性能；

2、设计了天线自适应切换准则，通过优化每根天线工作模式的配置和能量采集因子，可以最大化系统和速率。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种全双工信能同传天线模式切换收发机的结构示意图(基于功率分割)。

图2为本发明一种全双工信能同传天线模式切换收发机的结构示意图(基于时间分割)。

图3是本发明中收发机D与收发机S进行点对点全双工通信的示意图。

图4是本发明所提出的传输方案与传统固定天线工作模式的传输方案进行对比的仿真图。

具体实施方式

Channel State Information:信道状态信息.，在无线通信领域，所谓的CSI，就是通信链路的信道属性。它描述了信号在每条传输路径上的衰弱因子，即信道增益矩阵H中每个元素的值，如信号散射(Scattering)，环境衰弱(fading，multipath fading orshadowing fading)，距离衰减(power decay ofdistance)等信息。CSI可以使通信系统适应当前的信道条件，在多天线系统中为高可靠性高速率的通信提供了保障。

请重点参照图1至图4所示，本发明一种全双工信能同传天线模式切换收发机的较佳实施例，所述收发机包括模式切换模块、接收模块、发送模块以及闲置模块；

所述模式切换模块，用于依据和速率最大准则的自适应切换算法来切换收发机上各天线的工作模式；

所述接收模块，用于当天线处于接收工作模式时，在天线接收到信号后，将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集；

所述发送模块，用于当天线处于发送工作模式时，将处理后的待发送信号发送至各发送天线上进行发送；

所述闲置模块，用于当天线处于闲置工作模式时，既不接收信号，也不发送信号。

也就是说，本发明在具体实施时，收发机上的每根天线都可以根据发送信道和接收信道的CSI，依据和速率最大准则，在发送、接收以及闲置三种工作模式中进行自适应切换，具体的切换动作可以由天线模式切换开关来执行。例如，假设收发机共有5根天线，分别标记为：Ant_1，Ant_2，Ant_3，Ant_4，Ant_5；其中，Ant_1和Ant_3工作在发送模式，Ant_2和Ant_5工作在接收模式，Ant_4处于闲置模式。

本发明的收发机可适用于任意类型的多天线全双工节点，这些节点可以是信息的发送端或接收端、AF/DF中继、目的节点或友好加扰节点等。通过本发明的技术方案可充分利用天线选择增益和多天线的空间自由度，并结合能量采集技术，相比传统的固定天线模式的全双工传输方案，可实现传输性能的明显提升。同时，本发明中的收发机工作在同时同频全双工模式，即在发送信号的同时，也在接收信号，从而可显著提升信息传输速率。

在所述接收模块中，所述将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集具体为：

将接收的信号通过时间分割模式分割成β_iT和(1-β_i)T两个部分，并将β_iT用于信息处理，将(1-β_i)T用于能量采集；其中，T表示第i根天线的一个信息码元的传输时隙，β_i表示功率分割因子，且0≤β_i≤1。

在所述接收模块中，所述将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集具体为：

将接收的信号通过功率分割模式分割成α_iP和(1-α_i)P两个部分，并将α_iP用于信息处理，将(1-α_i)P用于能量采集；其中，P表示第i根天线接收到的总功率，α_i表示功率分割因子，且0≤α_i≤1。

在具体实施时，请重点参照图1和图2所示所示，所述接收模块具体包括信息接收处理单元、能量采集单元和信号分割单元；当接收模块接收到信号后，首先会进入信号分割单元，且如果信号分割单元采用的是功率分割的能量采集技术，假设第i根天线的接收总功率为P，则将α_iP送入信息接收处理单元用于接收信息处理，剩下的(1-α_i)P送入能量采集单元，再进一步送入蓄电池，用于给信息发送处理单元供能。且如果信号分割单元采用的是时间分割的能量采集技术，假设一个信息码元的传输时隙为T，则将信息传输时隙β_iT用于第i根天线接收信号的信息处理，剩下的能量采集时隙(1-β_i)T用于能量采集，再进一步送入蓄电池，用于给信息发送处理单元供能。其中，信息接收处理单元还包括执行通信系统中常见的接收处理操作，比如：模数转换、信道校正、解调、解交织、解码等，根据所采用的具体传输技术对单元进行增删等。

所述发送模块包含信息发送处理单元，在具体实施时，需要将待发送的信息发送给信息发送处理单元进行处理，再发送至各个发送天线上。信息发送处理单元还包括执行通信系统中常见发送处理操作，比如：编码、交织、调制、插入导频、数模转换等，根据所采用的具体传输技术对单元进行增删等。

在所述模式切换模块中，所述和速率最大准则的自适应切换算法具体包括如下步骤：

步骤A1、假定收发机D与收发机S进行全双工通信(如图3所示)，所述收发机S共有两根天线，其中，一根为发送天线，一根为接收天线；所述收发机D共有N根天线，其中，N_t根为发送天线，N_r根为接收天线，N_t的变化范围为：1≤N_t≤N-1，N_r的变化范围为：1≤N_r≤N-1，需满足条件：2≤N_t+N_r≤N；收发机S的发送功率为P_s，则收发机D的接收信号为：

其中，g表示收发机S至收发机D的信道参数向量，x₁为收发机S的发送信号，P_D为收发机D的发送功率，F为收发机D的发送天线对接收天线的N_r×N_t维自干扰信道矩阵，x₂为收发机D的发送信号，w为收发机D的发送波束形成向量，n_D为收发机D的加性白高斯噪声向量；

步骤A2、设定收发机D采用时间分割的能量采集技术，由于收发机D可采用基于信号处理的自干扰抑制技术将自干扰抑制到噪声水平，所以自干扰对能量采集的贡献微弱，可忽略不计；则收发机D在能量采集时隙(1-β_i)T中采集的能量为：

其中，η表示无线能量采集中的能量转化效率因子；

根据式(2)可知，收发机D的接收信噪比为：

于是可得出收发机S至收发机D的传输效率为：

R_SD＝log₂(1+γ_D)； (4)

步骤A3、由于收发机D的发送信息的能量来源于所采集的能量，则收发机D的发送功率为：

于是，收发机S接收到收发机D发送的信号为：

其中，h表示收发机D至收发机S的信道参数向量；为了使得接收机S的接收信噪比最大化，采用最大比发送准则来设计w，即w＝h^H；n_S为S的加性白高斯噪声；

基于式(6)可得出，收发机S的接收信噪比为：

于是，收发机D至收发机S的传输速率为：

R_DS＝log₂(1+γ_S)； (8)

步骤A4、系统和速率为：

R_sum＝R_SD+R_DS； (9)

步骤A5、采用和速率最大准则来设计天线模式的自适应切换，具体设计如下：

其中，Ant_i∈{发送，接收，闲置}，Ant_i表示第i根天线可在发送、接收以及闲置三种模式中任意选择一种，i∈{1,…,N}；{Mode_1^*,Mode_2^*,…,Mode_N^*}表示和速率最大化的最优天线的工作模式组合，Mode_i^*表示天线i的最优工作模式；表示每根天线上最优的时间分割因子；

同理，如果收发机D采用功率分割的能量采集技术，则只需将时间分割因子β_i替换为功率分割因子α_i，将每根天线上最优的时间分割因子替换为每根天线上最优的功率分割因子即可。

图4是将本发明所提出的传输方案与传统固定天线工作模式的传输方案进行对比的仿真图。假设收发机D采用时间分割的能量采集技术，天线总数为6根，不考虑收发天线间的自干扰，各节点接收噪声方差σ²＝1，能量转化效率η＝0.3；收发机S配置两根天线。仿真图中的发送信噪比对应于P_S；收发机D的天线的工作模式事先已固定好，不能随信道而变化，在此处设定为3根发送天线和3根接收天线，而且时间分割因子也固定为0.5。由图4可知，本发明所提出的传输方案的系统和速率性能明显优于固定天线工作模式的传输方案。

请重点参照图1至图4所示，本发明一种全双工信能同传天线模式切换收发方法的较佳实施例，所述收发方法包括：

依据和速率最大准则的自适应切换算法来切换收发机上各天线的工作模式；

当天线处于接收工作模式时，在天线接收到信号后，将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集；在具体实施时，主要是通过收发机中的接收模块实现接收信号的处理；

当天线处于发送工作模式时，将处理后的待发送信号发送至各发送天线上进行发送；在具体实施时，主要是通过收发机中的发送模块实现发送信号的处理；

当天线处于闲置工作模式时，既不接收信号，也不发送信号；在具体实施时，主要是通过收发机中的闲置模块来实现既不接收信号，也不发送信号。

也就是说，本发明在具体实施时，收发机上的每根天线都可以根据发送信道和接收信道的CSI，依据和速率最大准则，在发送、接收以及闲置三种工作模式中进行自适应切换，具体的切换动作可以由天线模式切换开关来执行。例如，假设收发机共有5根天线，分别标记为：Ant_1，Ant_2，Ant_3，Ant_4，Ant_5；其中，Ant_1和Ant_3工作在发送模式，Ant_2和Ant_5工作在接收模式，Ant_4处于闲置模式。

本发明的收发机可适用于任意类型的多天线全双工节点，这些节点可以是信息的发送端或接收端、AF/DF中继、目的节点或友好加扰节点等。通过本发明的技术方案可充分利用天线选择增益和多天线的空间自由度，并结合能量采集技术，相比传统的固定天线模式的全双工传输方案，可实现传输性能的明显提升。同时，本发明中的收发机工作在同时同频全双工模式，即在发送信号的同时，也在接收信号，从而可显著提升信息传输速率。

所述将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集具体为：

将接收的信号通过时间分割模式分割成β_iT和(1-β_i)T两个部分，并将β_iT用于信息处理，将(1-β_i)T用于能量采集；其中，T表示第i根天线的一个信息码元的传输时隙，β_i表示功率分割因子，且0≤β_i≤1。

所述将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集具体为：

将接收的信号通过功率分割模式分割成α_iP和(1-α_i)P两个部分，并将α_iP用于信息处理，将(1-α_i)P用于能量采集；其中，P表示第i根天线接收到的总功率，α_i表示功率分割因子，且0≤α_i≤1。

在具体实施时，请重点参照图1和图2所示所示，所述接收模块具体包括信息接收处理单元、能量采集单元和信号分割单元；当接收模块接收到信号后，首先会进入信号分割单元，且如果信号分割单元采用的是功率分割的能量采集技术，假设第i根天线的接收总功率为P，则将α_iP送入信息接收处理单元用于接收信息处理，剩下的(1-α_i)P送入能量采集单元，再进一步送入蓄电池，用于给信息发送处理单元供能。且如果信号分割单元采用的是时间分割的能量采集技术，假设一个信息码元的传输时隙为T，则将信息传输时隙β_iT用于第_i根天线接收信号的信息处理，剩下的能量采集时隙(1-β_i)T用于能量采集，再进一步送入蓄电池，用于给信息发送处理单元供能。其中，信息接收处理单元还包括执行通信系统中常见的接收处理操作，比如：模数转换、信道校正、解调、解交织、解码等，根据所采用的具体传输技术对单元进行增删等。

所述发送模块包含信息发送处理单元，在具体实施时，需要将待发送的信息发送给信息发送处理单元进行处理，再发送至各个发送天线上。信息发送处理单元还包括执行通信系统中常见发送处理操作，比如：编码、交织、调制、插入导频、数模转换等，根据所采用的具体传输技术对单元进行增删等。

在所述模式切换模块中，所述和速率最大准则的自适应切换算法具体包括如下步骤：

步骤A1、假定收发机D与收发机S进行全双工通信(如图3所示)，所述收发机S共有两根天线，其中，一根为发送天线，一根为接收天线；所述收发机D共有N根天线，其中，N_t根为发送天线，N_r根为接收天线，N_t的变化范围为：1≤N_t≤N-1，N_r的变化范围为：1≤N_r≤N-1，需满足条件：2≤N_t+N_r≤N；收发机S的发送功率为P_s，则收发机D的接收信号为：

其中，g表示收发机S至收发机D的信道参数向量，x₁为收发机S的发送信号，P_D为收发机D的发送功率，F为收发机D的发送天线对接收天线的N_r×N_t维自干扰信道矩阵，x₂为收发机D的发送信号，w为收发机D的发送波束形成向量，n_D为收发机D的加性白高斯噪声向量；

步骤A2、设定收发机D采用时间分割的能量采集技术，由于收发机D可采用基于信号处理的自干扰抑制技术将自干扰抑制到噪声水平，所以自干扰对能量采集的贡献微弱，可忽略不计；则收发机D在能量采集时隙(1-β_i)T中采集的能量为：

其中，η表示无线能量采集中的能量转化效率因子；

根据式(2)可知，收发机D的接收信噪比为：

于是可得出收发机S至收发机D的传输效率为：

R_SD＝log₂(1+γ_D)； (4)

步骤A3、由于收发机D的发送信息的能量来源于所采集的能量，则收发机D的发送功率为：

于是，收发机S接收到收发机D发送的信号为：

其中，h表示收发机D至收发机S的信道参数向量；为了使得接收机S的接收信噪比最大化，采用最大比发送准则来设计w，即w＝h^H；n_S为S的加性白高斯噪声；

基于式(6)可得出，收发机S的接收信噪比为：

于是，收发机D至收发机S的传输速率为：

R_DS＝log₂(1+γ_S)； (8)

步骤A4、系统和速率为：

R_sum＝R_SD+R_DS； (9)

步骤A5、采用和速率最大准则来设计天线模式的自适应切换，具体设计如下：

其中，Ant_i∈{发送，接收，闲置}，Ant_i表示第i根天线可在发送、接收以及闲置三种模式中任意选择一种，i∈{1,…,N}；{Mode_1^*,Mode_2^*,…,Mode_N^*}表示和速率最大化的最优天线的工作模式组合，Mode_i^*表示天线i的最优工作模式；表示每根天线上最优的时间分割因子；

同理，如果收发机D采用功率分割的能量采集技术，则只需将时间分割因子β_i替换为功率分割因子α_i，将每根天线上最优的时间分割因子替换为每根天线上最优的功率分割因子即可。

图4是将本发明所提出的传输方案与传统固定天线工作模式的传输方案进行对比的仿真图。假设收发机D采用时间分割的能量采集技术，天线总数为6根，不考虑收发天线间的自干扰，各节点接收噪声方差σ²＝1，能量转化效率η＝0.3；收发机S配置两根天线。仿真图中的发送信噪比对应于P_S；收发机D的天线的工作模式事先已固定好，不能随信道而变化，在此处设定为3根发送天线和3根接收天线，而且时间分割因子也固定为0.5。由图4可知，本发明所提出的传输方案的系统和速率性能明显优于固定天线工作模式的传输方案。

综上所述，本发明具有如下优点：

1、本发明的全双工天线可根据信道状态信息在三种工作模式下进行自适应切换，即：发送模式、接收模式和闲置模式；并与基于功率分割的能量采集技术或基于时间分割的能量采集技术相结合，可很好的实现能量的自补给，无需外界供能，而且每根天线的功率分割因子或时间分割因子都是可以优化调节的，可进一步提升性能；

2、设计了天线自适应切换准则，通过优化每根天线工作模式的配置和能量采集因子，可以最大化系统和速率。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种全双工信能同传天线模式切换收发机，其特征在于：所述收发机包括模式切换模块、接收模块、发送模块以及闲置模块；

所述模式切换模块，用于依据和速率最大准则的自适应切换算法来切换收发机上各天线的工作模式；

所述接收模块，用于当天线处于接收工作模式时，在天线接收到信号后，将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集；

所述发送模块，用于当天线处于发送工作模式时，将处理后的待发送信号发送至各发送天线上进行发送；

所述闲置模块，用于当天线处于闲置工作模式时，既不接收信号，也不发送信号。

2.根据权利要求1所述的一种全双工信能同传天线模式切换收发机，其特征在于：在所述接收模块中，所述将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集具体为：

将接收的信号通过时间分割模式分割成β_iT和(1-β_i)T两个部分，并将β_iT用于信息处理，将(1-β_i)T用于能量采集；其中，T表示第i根天线的一个信息码元的传输时隙，β_i表示功率分割因子，且0≤β_i≤1。

3.根据权利要求1所述的一种全双工信能同传天线模式切换收发机，其特征在于：在所述接收模块中，所述将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集具体为：

将接收的信号通过功率分割模式分割成α_iP和(1-α_i)P两个部分，并将α_iP用于信息处理，将(1-α_i)P用于能量采集；其中，P表示第i根天线接收到的总功率，α_i表示功率分割因子，且0≤α_i≤1。

4.根据权利要求2或3所述的一种全双工信能同传天线模式切换收发机，其特征在于：在所述模式切换模块中，所述和速率最大准则的自适应切换算法具体包括如下步骤：

步骤A1、假定收发机D与收发机S进行全双工通信，所述收发机S共有两根天线，其中，一根为发送天线，一根为接收天线；所述收发机D共有N根天线，其中，N_t根为发送天线，N_r根为接收天线，N_t的变化范围为：1≤N_t≤N-1，N_r的变化范围为：1≤N_r≤N-1，需满足条件：2≤N_t+N_r≤N；收发机S的发送功率为P_s，则收发机D的接收信号为：

其中，g表示收发机S至收发机D的信道参数向量，x₁为收发机S的发送信号，P_D为收发机D的发送功率，F为收发机D的发送天线对接收天线的N_r×N_t维自干扰信道矩阵，x₂为收发机D的发送信号，w为收发机D的发送波束形成向量，n_D为收发机D的加性白高斯噪声向量；

步骤A2、设定收发机D采用时间分割的能量采集技术，则收发机D在能量采集时隙(1-β_i)T中采集的能量为：

其中，η表示无线能量采集中的能量转化效率因子；

根据式（2）可知，收发机D的接收信噪比为：

于是可得出收发机S至收发机D的传输效率为：

R_SD＝log₂(1+γ_D)； （4）

步骤A3、由于收发机D的发送信息的能量来源于所采集的能量，则收发机D的发送功率为：

于是，收发机S接收到收发机D发送的信号为：

其中，h表示收发机D至收发机S的信道参数向量；采用最大比发送准则来设计w，即w＝h^H；n_S为S的加性白高斯噪声；

基于式（6）可得出，收发机S的接收信噪比为：

于是，收发机D至收发机S的传输速率为：

R_DS＝log₂(1+γ_S)； （8）

步骤A4、系统和速率为：

R_sum＝R_SD+R_DS； （9）

步骤A5、采用和速率最大准则来设计天线模式的自适应切换，具体设计如下：

其中，Ant_i∈{发送，接收，闲置}，Ant_i表示第i根天线可在发送、接收以及闲置三种模式中任意选择一种，i∈{1,…,N}；{Mode_1^*,Mode_2^*,…,Mode_N^*}表示和速率最大化的最优天线的工作模式组合，Mode_i^*表示天线i的最优工作模式；β_i ^*表示每根天线上最优的时间分割因子；

同理，如果收发机D采用功率分割的能量采集技术，则只需将时间分割因子β_i替换为功率分割因子α_i，将每根天线上最优的时间分割因子β_i ^*替换为每根天线上最优的功率分割因子即可。

5.一种全双工信能同传天线模式切换收发方法，其特征在于：所述方法包括：

依据和速率最大准则的自适应切换算法来切换收发机上各天线的工作模式；

当天线处于接收工作模式时，在天线接收到信号后，将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集；

当天线处于发送工作模式时，将处理后的待发送信号发送至各发送天线上进行发送；

当天线处于闲置工作模式时，既不接收信号，也不发送信号。

6.根据权利要求5所述的一种全双工信能同传天线模式切换收发方法，其特征在于：所述将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集具体为：

将接收的信号通过时间分割模式分割成β_iT和(1-β_i)T两个部分，并将β_iT用于信息处理，将(1-β_i)T用于能量采集；其中，T表示第i根天线的一个信息码元的传输时隙，β_i表示功率分割因子，且0≤β_i≤1。

7.根据权利要求5所述的一种全双工信能同传天线模式切换收发方法，其特征在于：所述将接收的信号分割成两个部分，并将其中一部分用于信息处理，将另一部分用于能量采集具体为：

将接收的信号通过功率分割模式分割成α_iP和(1-α_i)P两个部分，并将α_iP用于信息处理，将(1-α_i)P用于能量采集；其中，P表示第i根天线接收到的总功率，α_i表示功率分割因子，且0≤α_i≤1。

8.根据权利要求6或7所述的一种全双工信能同传天线模式切换收发方法，其特征在于：所述和速率最大准则的自适应切换算法具体包括如下步骤：

步骤A1、假定收发机D与收发机S进行全双工通信，所述收发机S共有两根天线，其中，一根为发送天线，一根为接收天线；所述收发机D共有N根天线，其中，N_t根为发送天线，N_r根为接收天线，N_t的变化范围为：1≤N_t≤N-1，N_r的变化范围为：1≤N_r≤N-1，需满足条件：2≤N_t+N_r≤N；收发机S的发送功率为P_s，则收发机D的接收信号为：

其中，g表示收发机S至收发机D的信道参数向量，x₁为收发机S的发送信号，P_D为收发机D的发送功率，F为收发机D的发送天线对接收天线的N_r×N_t维自干扰信道矩阵，x₂为收发机D的发送信号，w为收发机D的发送波束形成向量，n_D为收发机D的加性白高斯噪声向量；

步骤A2、设定收发机D采用时间分割的能量采集技术，则收发机D在能量采集时隙(1-β_i)T中采集的能量为：

其中，η表示无线能量采集中的能量转化效率因子；

根据式(2)可知，收发机D的接收信噪比为：

于是可得出收发机S至收发机D的传输效率为：

R_SD＝log₂(1+γ_D)； (4)

步骤A3、由于收发机D的发送信息的能量来源于所采集的能量，则收发机D的发送功率为：

于是，收发机S接收到收发机D发送的信号为：

其中，h表示收发机D至收发机S的信道参数向量；采用最大比发送准则来设计w，即w＝h^H；n_S为S的加性白高斯噪声；

基于式(6)可得出，收发机S的接收信噪比为：

于是，收发机D至收发机S的传输速率为：

R_DS＝log₂(1+γ_S)； (8)

步骤A4、系统和速率为：

R_sum＝R_SD+R_DS； (9)

步骤A5、采用和速率最大准则来设计天线模式的自适应切换，具体设计如下：

其中，Ant_i∈{发送，接收，闲置}，Ant_i表示第i根天线可在发送、接收以及闲置三种模式中任意选择一种，i∈{1,…,N}；{Mode_1^*,Mode_2^*,…,Mode_N^*}表示和速率最大化的最优天线的工作模式组合，Mode_i^*表示天线i的最优工作模式；β_i ^*表示每根天线上最优的时间分割因子；

同理，如果收发机D采用功率分割的能量采集技术，则只需将时间分割因子β_i替换为功率分割因子α_i，将每根天线上最优的时间分割因子β_i ^*替换为每根天线上最优的功率分割因子即可。