一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法及装置与流程

本发明涉及无线通信
技术领域：
，特别是涉及一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法及装置。
背景技术：
：能源与环境问题是当前全球共同面临的挑战。信息通信技术产业的碳排放及能耗所占的比例迅速增长，无线通信行业在节能减排方面占据重要的位置。因此，低碳、健康、高效的绿色通信系统日益引起人们的关注，具有良好的应用前景。作为风能、太阳能等传统能源的替代，射频被视为一种新的可行的能量来源。将射频能量转化为电能的射频能量收集技术，是一种具有提供永久、便捷的能量供给潜力的技术，被视为解决能量受限的无线网络的能量短缺问题的关键技术，符合绿色通信的标准。因此，无线供能通信网络，即基站利用下行链路传输能量并且解码用户通过上行链路传输信息，吸引了越来越多人的兴趣。随着技术的发展，中继技术、全双工技术与射频能量收集技术的结合提高了射频能量收集技术的性能与应用范围。中继技术解决了无线传能技术(wirelesspowertransfer)的应用距离问题，使得无线传能技术具有实现意义。通过使用中继节点，协作中继技术可以帮助克服信道衰落，提高了网络的效能和可靠性。通常中继网络采用的是半双工模式。半双工中继工作方式本身导致了频谱效率的巨大损失，而解决这一问题的一个具有很大前景的方案就是使用全双工中继，中继节点可以使用相同频段同时接收和发送信号。但是，由于回路干扰(loopbackinterference)的强度极高，信息的同时发送和接收实现起来比较困难。现有WPCN(无线充能通信网络)的信息和能量传输方法为一种两段式传输协议，该模式是半双工模式，即将基站的一个传输时隙分为两个子时隙，在第一个子时隙内，基站(中继节点)利用下行链路对用户(源节点)进行无线充能；并在第二个时隙内，基站作为中继节点协助源节点向目的节点传输信息。网络中节点均配置单天线，源节点采取先收集能量再传输信息的工作模式。但是上述传输方法存在以下问题：首先，现有技术采用半双工传输模式，导致网络整体吞吐量不高；其次，现有技术的传输协议只适用于半双工传输模式，不适用于全双工传输模式。技术实现要素：本发明实施例的目的在于提供一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法及装置，以提高网络的吞吐量及能效。具体技术方案如下：第一种方案：一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法，应用于无线供能通信网络中全双工的源节点，所述无线供能通信网络中还包括全双工的中继节点和目的节点，所述方法包括：获得待发送信号，采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形得到第一信号；将第一信号通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送至中继节点，以使中继节点通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收所述第一信号；通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收第一信号，从第一信号中获得能量信息；通过所述第一接收天线接收由中继节点发送的第二信号，从第二信号中获得能量信息；所述的第二信号为：所述中继节点采用预设的第二波束赋形向量对所述第一信号进行波束赋形获得的，并通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线发送至目标节点和源节点的信号。第二种方案：一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法，应用于无线供能通信网络中全双工的中继节点，所述无线供能通信网络中还包括全双工的源节点和目的节点，所述方法包括：通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收源节点发送的第一信号；所述第一信号为源节点采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形获得的、并通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送的信号；采用预设的第二波束赋形向量对第一信号进行波束赋形得到第二信号；通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线将所述第二信号发送至源节点和目标节点，以使源节点通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收所述第二信号，并从所述第二信号中获得能量。优选的，所述的第一波束赋形向量为：wsopt=ηPm|h~rsvr|B-1hsrH||B-1/2hsrH||,]]>其中，η表示能量收集电路的能量转化效率，Pm表示中继节点的发送功率，hrs表示中继节点到源节点的信道，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵，hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，分别表示hsr，hss的共轭转置，hsr表示源节点到中继节点的信道，hss表示源节点自身的环状信道；所述的第二波束赋形向量为：wropt=aroptNrvropt,]]>其中，ar表示功率放大因子，vr表示波束控制向量，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵。优选的，所述的第一波束赋形向量通过如下步骤计算获得：中继节点接收到的信号表示为：yr(n)＝hsrwsxs(n)+hrrxr(n)+nr(n)，其中n表示第n个通信块，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，xs(n)表示源节点发送的数据，hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，xr(n)表示中继节点发送的数据，nr(n)表示中继节点接收到的噪声信号；中继节点发送的信号表示为：xr(n)＝wryr(n-ω)＝wrhsrwsxs(n-ω)+wrhrrxr(n-ω)+wrnr(n-ω)，其中，wr表示中继节点的第二波束赋形向量，ω表示中继系节点处理信息的时间，yr(n-ω)表示在n-ω这一时刻中继节点接收到的信号，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，ω表示中继节点处理时延，xs(n-ω)表示在n-ω这一时刻源节点发送的信息，xr(n-ω)表示在n-ω这一时刻中继节点发送的数据，nr(n-ω)表示n-ω这一时刻在中继节点的加性噪声；代入hrrwrr＝0，中继节点发送的信号表示为：xr(n)＝wrhsrwsxs(n-ω)+wrnr(n-ω)；目的节点接收到的信号表示为：yd(n)=hrdxr(n)+nd(n)=hrdwrhsrwsxs(n-ω)+n~d(n),]]>其中，表示目的节点的噪声；源节点接收到的信号表示为：ys(n)＝hsswsxs(n)+hrsxr(n)+ns(n)＝hsswsxs(n)+hrswrhsrwsxs(n-ω)+hrswrnr(n-ω)+ns(n)，其中，xs(n)表示源节点发送的数据，xs(n-ω)表示在n-ω这一时刻源节点发送的信息，nr(n-ω)表示n-ω这一时刻在中继节点的加性噪声，ns(n)表示源节点接收到的噪声信号；每个通信块内源节点获得的总能量表示为：ES=ηT(|hssws|2+|hrswrhsrws|2+δr2|hrswr|2),]]>其中，0<η≤1表示源节点的能量收集效率，T代表每个通信块的持续时间，表示中继节点接收天线处的加性噪声的方差；网络吞吐量表示为：R＝log2(1+SNR)，其中，SNR表示端到端的信噪比；要使网络吞吐量最大，系统端到端的信噪比最大化公式表示为：maxws,wrSNR=|hrdwr|2|hsrws|2δr2|hrdwr|2+δd2]]>subjecttohrrwr=00≤Ps=||ws||2≤Es/T|wrhsrws|2+δr2||wr||2≤Pm,---(1)]]>其中，hrd表示中继节点到目的节点的信道，wr表示中继节点的第二波束赋形向量，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，表示目的节点接收天线处的加性噪声的方差，表示中继节点接收天线处的加性噪声的方差；hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，PS表示源节点的发送功率，Es表示每个通信块内源节点接收到的总能量，Es的表达式为：其中0<η≤1表示源节点的能量收集效率，T表示每个通信块的持续时间，Pm表示中继节点的发送功率；将wr分解为wr＝arNrvr，其中ar表示功率放大因子，vr表示波束控制向量，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵，由此，所述的最大化公式(1)转变成：maxws,wrSNR=ar2|hrdNrvr|2|hsrws|2ar2δr2|hrdNrvr|2+δd2]]>subjectto||vr||2=1ar2≤Pm|hsrws|2+δr2ar2≥||ws||2-η|hssws|2η|hrsNrvr|2(|hsrws|2+δr2),---(2)]]>保证可行性的情况下，ar的最优解为：aropt=Pm|hsrws|2+δr2,]]>将ar的最优解代入最大化公式(2)，得到最大化公式(3)：maxws,vrS(ws,vr)=Pm|hrdNrvr|2|hsrws|2Pmδr2|hrdNrvr|2+δd2|hsrws|2+δr2]]>subjectto||vr||2=1||ws||2≤η(|hssws|2+Pm|hrsNrvr|2),---(3)]]>vr表示为如下的参数：vr=xΠh~rsHh~rdH||Πh~rsHh~rdH||+1-x2Πh~rsH⊥h~rdH||Πh~rsH⊥h~rdH||,]]>其中0≤x≤1，表示的共轭转置，表示的共轭转置，η表示能量收集电路的能量转化效率，∏X表示向X的列空间正交投影，表示向X列空间的正交补投影，因此，最大化公式(3)等价于：max0≤x≤1f(x),]]>其中f(x)定义为：f(x)=maxwsS(ws,vr(x))]]>s.t.||ws||2≤η(|hssws|2+Pm|h~rsvr(x)|2),]]>由此，得出ws的全局最优值为：wsopt=ηPm|h~rsvr|B-1hsrH||B-1/2hsrH||,]]>其中并且分别表示hsr，hss的共轭转置；所述第二波束赋形向量通过如下步骤计算获得：将的表达式代入最大化公式(3)，得到函数f(x)的显性表达式：f(x)=Pma2b2(cx+d1-x2)2Pmb2+a2(c+d1x2-1)+δr2δd2x2,]]>其中，f(x)是一个单峰函数，用二分法得到x的最优解，因此vr的最优解为：vropt=xoptΠh~rsHh~rdH||Πh~rsHh~rdH||+1-xopt2Πh~rsH⊥h~rdH||Πh~rsH⊥h~rdH||,]]>结合所述的ar的最优解，得到wr的全局最优值为第三种方案：一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输装置，应用于无线供能通信网络中全双工的源节点，所述无线供能通信网络中还包括全双工的中继节点和目的节点，所述装置包括：第一波束赋形单元，用于获得待发送信号，采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形得到第一信号；第一发送单元，用于将第一信号通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送至中继节点，以使中继节点通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收所述第一信号；第一接收单元，用于通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收第一信号，从第一信号中获得能量信息；第二接收单元，用于通过所述第一接收天线接收由中继节点发送的第二信号，从第二信号中获得能量信息；所述的第二信号为：所述中继节点采用预设的第二波束赋形向量对所述第一信号进行波束赋形获得的，并通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线发送至目标节点和源节点的信号。第四种方案：一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输装置，应用于无线供能通信网络中全双工的中继节点，所述无线供能通信网络中还包括全双工的源节点和目的节点，所述装置包括：第三接收单元，用于通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收源节点发送的第一信号；所述第一信号为源节点采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形获得的、并通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送的信号；第二波束赋形单元，用于采用预设的第二波束赋形向量对第一信号进行波束赋形得到第二信号；第二发送单元，用于通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线将所述第二信号发送至源节点和目标节点，以使源节点通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收所述第二信号，并从所述第二信号中获得能量。本发明实施例提供的在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法及装置，采用全双工通信方式，通过对源节点及中继节点设计波束赋形因子，以降低全双工通信过程中产生的自干扰，提高网络的吞吐量；源节点一方面从中继节点发送的信号中获得能量，另一方面从它本身发送的信号中获得能量，可以提高源节点自身的能效。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。图1为本发明方法的应用场景图；图2是本发明方法实施例一的流程图；图3是本发明方法中采用的中继节点自干扰消除电路框图；图4是本发明方法中采用的源节点能量收集电路框图；图5是本发明方法实施例四的流程图；图6是中继发射功率和系统吞吐量的关系曲线图；图7是本发明装置实施例一的结构图；图8是本发明装置实施例二的结构图。具体实施方式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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。本发明实施例是在基于中继的WPCN的场景下，将全双工技术和多天线技术相结合，提出了一种新颖的一段式传输方案，通过预设波束赋形向量，对信号进行波束赋形后进行传输，解决了全双工技术带来的自干扰问题，并相应大幅提高了系统的吞吐量性能。这里，需要说明的是，本发明实例中首先将网络中的源节点、中继节点和目的节点都配置成全双工模式。其中，源节点配置一根仅用于接收信号(也就是用来收集能量)的天线，以及至少两根仅用于发送信号的天线；同时中继节点也配置一根仅用于接收信号的天线，以及至少两根用于发送信号的天线。方法实施例一本发明在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法的一种实施例，如图1所示，应用于无线供能通信网络中全双工的源节点S，所述无线供能通信网络中还包括全双工的中继节点R和目的节点D；方法如图2所示，包括：S201：获得待发送信号，采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形得到第一信号；具体的，所述的第一波束赋形向量为：wsopt=ηPm|h~rsvv|B-1hsrH||B-1/2hsrH||,]]>其中，η表示能量收集电路的能量转化效率，Pm表示中继节点的发送功率，hrs表示中继节点到源节点的信道，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵，hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，分别表示hsr，hss的共轭转置，hsr表示源节点到中继节点的信道，hss表示源节点自身的环状信道；优选的，所述的第一波束赋形向量通过如下步骤计算获得：中继节点接收到的信号表示为：yr(n)＝hsrwsxs(n)+hrrxr(n)+nr(n)，其中n表示第n个通信块，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，xs(n)表示源节点发送的数据，hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，xr(n)表示中继节点发送的数据，nr(n)表示中继节点接收到的噪声信号；中继节点发送的信号表示为：xr(n)＝wryr(n-ω)＝wrhsrwsxs(n-ω)+wrhrrxr(n-ω)+wrnr(n-ω)，其中，wr表示中继节点的第二波束赋形向量，ω表示中继系节点处理信息的时间，yr(n-ω)表示在n-ω这一时刻中继节点接收到的信号，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，ω表示中继节点处理时延，xs(n-ω)表示在n-ω这一时刻源节点发送的信息，xr(n-ω)表示在n-ω这一时刻中继节点发送的数据，nr(n-ω)表示n-ω这一时刻在中继节点的加性噪声；代入hrrwrr＝0，中继节点发送的信号表示为：xr(n)＝wrhsrwsxs(n-ω)+wrnr(n-ω)；目的节点接收到的信号表示为：yd(n)=hrdxr(n)+nd(n)=hrdwrhsrwsxs(n-ω)+n~d(n),]]>其中，表示目的节点的噪声；源节点接收到的信号表示为：ys(n)＝hsswsxs(n)+hrsxr(n)+ns(n)＝hsswsxs(n)+hrswrhsrwsxs(n-ω)+hrswrnr(n-ω)+ns(n)，其中，xs(n)表示源节点发送的数据，xs(n-ω)表示在n-ω这一时刻源节点发送的信息，nr(n-ω)表示n-ω这一时刻在中继节点的加性噪声，ns(n)表示源节点接收到的噪声信号；每个通信块内源节点获得的总能量表示为：ES=ηT(|hssws|2+|hrswrhsrws|2+δr2|hrswr|2),]]>其中，0<η≤1表示源节点的能量收集效率，T代表每个通信块的持续时间，表示中继节点接收天线处的加性噪声的方差；网络吞吐量表示为：R＝log2(1+SNR)，其中，SNR表示端到端的信噪比；要使网络吞吐量最大，系统端到端的信噪比最大化公式表示为：maxws,wrSNR=|hrdwr|2|hsrws|2δr2|hrdwr|2+δd2]]>subjecttohrrwr=00≤Ps=||ws||2≤Es/T|wrhsrws|2+δr2||wr||2≤Pm,---(1)]]>其中，hrd表示中继节点到目的节点的信道，wr表示中继节点的第二波束赋形向量，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，表示目的节点接收天线处的加性噪声的方差，表示中继节点接收天线处的加性噪声的方差；hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，PS表示源节点的发送功率，Es表示每个通信块内源节点接收到的总能量，Es的表达式为：其中0<η≤1表示源节点的能量收集效率，T表示每个通信块的持续时间，Pm表示中继节点的发送功率；将wr分解为wr＝arNrvr，其中ar表示功率放大因子，vr表示波束控制向量，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵，由此，所述的最大化公式(1)转变成：maxws,wrSNR=ar2|hrdNrvr|2|hsrws|2ar2δr2|hrdNrvr|2+δd2]]>subjectto||vr||2=1ar2≤Pm|hsrws|2+δr2ar2≥||ws||2-η|hssws|2η|hrsNrvr|2(|hsrws|2+δr2),---(2)]]>保证可行性的情况下，ar的最优解为：aropt=Pm|hsrws|2+δr2,]]>将ar的最优解代入最大化公式(2)，得到最大化公式(3)：maxws,vrS(ws,vr)=Pm|hrdNrvr|2|hsrws|2Pmδr2|hrdNrvr|2+δd2|hsrws|2+δr2]]>subjectto||vr||2=1||ws||2≤η(|hssws|2+Pm|hrsNrvr|2),---(3)]]>vr表示为如下的参数：vr=xΠh~rsHh~rdH||Πh~rsHh~rdH||+1-x2Πh~rsH⊥h~rdH||Πh~rsH⊥h~rdH||,]]>其中0≤x≤1，表示的共轭转置，表示的共轭转置，η表示能量收集电路的能量转化效率，∏X表示向X的列空间正交投影，表示向X列空间的正交补投影，因此，最大化公式(3)等价于：max0≤x≤1f(x),]]>其中f(x)定义为：f(x)=maxwsS(ws,vr(x))]]>s.t.||ws||2≤η(|hssws|2+Pm|h~rsvr(x)|2),]]>由此，得出ws的全局最优值为：wsopt=ηPm|h~rsvr|B-1hsrH||B-1/2hsrH||,]]>其中并且分别表示hsr，hss的共轭转置；应该说明的是，中继节点经过时域自干扰消除，采用现有技术中常用的自干扰消除电路实现。例如，如图3所示，发射天线产生的模拟自干扰信号和数字自干扰信号分别输入到模拟干扰消除电路和数字干扰消除电路，进行时域干扰消除。应该说明的是，第一波束赋形向量的计算过程是在中继节点中进行的。S202：将第一信号通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送至中继节点，以使中继节点通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收所述第一信号；优选的，第一发送天线至少设置为两根；优选的，第二接收天线设置为一根；S203：通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收第一信号，从第一信号中获得能量信息；优选的，第一接收天线设置为一根；应该说明的是，从第一信号中获得能量信息，采用现有技术中常用的能量收集电路实现。例如，如图4所示，接收天线接收到带能量的信号后，通过阻抗匹配、整流电路和储能电路获得能量。S204：通过所述第一接收天线接收由中继节点发送的第二信号，从第二信号中获得能量信息；所述的第二信号为：所述中继节点采用预设的第二波束赋形向量对所述第一信号进行波束赋形获得的，并通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线发送至目标节点和源节点的信号。具体的，所述的第二波束赋形向量为：其中，ar表示功率放大因子，vr表示波束控制向量，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵；优选的，所述第二波束赋形向量通过如下步骤计算获得：将的表达式代入最大化公式(3)，得到函数f(x)的显性表达式：f(x)=Pma2b2(cx+d1-x2)2Pmb2+a2(c+d1x2-1)+δr2δd2x2,]]>其中，f(x)是一个单峰函数，用二分法得到x的最优解，因此vr的最优解为：vropt=xoptΠh~rsHh~rdH||Πh~rsHh~rdH||+1-xopt2Πh~rsH⊥h~rdH||Πh~rsH⊥h~rdH||,]]>结合所述的ar的最优解，得到wr的全局最优值为优选的，第一接收天线设置为一根；优选的，第二发送天线至少设置为两根；应该说明的是，第二波束赋形向量的计算过程是在中继节点中进行的；应该说明的是，从第二信号中获得能量信息，采用现有技术中常用的能量收集电路实现，如图4所示，这里不再重复。综上，在本发明实施例中，源节点能够在发送信号的同时，收集来自于第一信号及第二信号的能量，这样能够有效提升整个系统的性能。方法实施例二本实施例在上述实施例一的基础上，将简化为：综上，在本发明实施例中，最大化源节点从接收到的第二信号中获得的能量，降低了波束赋形因子最优值计算的复杂度。方法实施例三本实施例在上述实施例一的基础上，将简化为：综上，在本发明实施例中，最大化中继节点向目的节点传输的信号，降低了波束赋形因子最优值计算的复杂度。方法实施例四本发明在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法的第四种实施例，如图1所示，应用于无线供能通信网络中全双工的中继节点R，所述无线供能通信网络中还包括全双工的源节点S和目的节点D；方法如图5所示，包括：S501：通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收源节点发送的第一信号；所述第一信号为源节点采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形获得的、并通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送的信号；优选的，第二接收天线设置为一根；优选的，第一发送天线至少设置为两根；具体的，所述的第一波束赋形向量为：wsopt=ηPm|h~rsvr|B-1hsrH||B-1/2hsrH||,]]>其中，η表示能量收集电路的能量转化效率，Pm表示中继节点的发送功率，hrs表示中继节点到源节点的信道，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵，hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，分别表示hsr，hss的共轭转置，hsr表示源节点到中继节点的信道，hss表示源节点自身的环状信道；优选的，所述的第一波束赋形向量通过如下步骤计算获得：中继节点接收到的信号表示为：yr(n)＝hsrwsxs(n)+hrrxr(n)+nr(n)，其中n表示第n个通信块，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，xs(n)表示源节点发送的数据，hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，xr(n)表示中继节点发送的数据，nr(n)表示中继节点接收到的噪声信号；中继节点发送的信号表示为：xr(n)＝wryr(n-ω)＝wrhsrwsxs(n-ω)+wrhrrxr(n-ω)+wrnr(n-ω)，其中，wr表示中继节点的第二波束赋形向量，ω表示中继系节点处理信息的时间，yr(n-ω)表示在n-ω这一时刻中继节点接收到的信号，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，ω表示中继节点处理时延，xs(n-ω)表示在n-ω这一时刻源节点发送的信息，xr(n-ω)表示在n-ω这一时刻中继节点发送的数据，nr(n-ω)表示n-ω这一时刻在中继节点的加性噪声；代入hrrwrr＝0，中继节点发送的信号表示为：xr(n)＝wrhsrwsxs(n-ω)+wrnr(n-ω)；目的节点接收到的信号表示为：yd(n)=hrdxr(n)+nd(n)=hrdwrhsrwsxs(n-ω)+n~d(n),]]>其中，表示目的节点的噪声；源节点接收到的信号表示为：ys(n)＝hsswsxs(n)+hrsxr(n)+ns(n)＝hsswsxs(n)+hrswrhsrwsxs(n-ω)+hrswrnr(n-ω)+ns(n)，其中，xs(n)表示源节点发送的数据，xs(n-ω)表示在n-ω这一时刻源节点发送的信息，nr(n-ω)表示n-ω这一时刻在中继节点的加性噪声，ns(n)表示源节点接收到的噪声信号；每个通信块内源节点获得的总能量表示为：ES=ηT(|hssws|2+|hrswrhsrws|2+δr2|hrswr|2),]]>其中，0<η≤1表示源节点的能量收集效率，T代表每个通信块的持续时间，表示中继节点接收天线处的加性噪声的方差；网络吞吐量表示为：R＝log2(1+SNR)，其中，SNR表示端到端的信噪比；要使网络吞吐量最大，系统端到端的信噪比最大化公式表示为：maxws,wrSNR=|hrdwr|2|hsrws|2δr2|hrdwr|2+δd2]]>subjecttohrrwr=00≤Ps=||ws||2≤Es/T|wrhsrws|2+δr2||wr||2≤Pm,---(1)]]>其中，hrd表示中继节点到目的节点的信道，wr表示中继节点的第二波束赋形向量，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，表示目的节点接收天线处的加性噪声的方差，表示中继节点接收天线处的加性噪声的方差；hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，PS表示源节点的发送功率，Es表示每个通信块内源节点接收到的总能量，Es的表达式为：其中0<η≤1表示源节点的能量收集效率，T表示每个通信块的持续时间，Pm表示中继节点的发送功率；将wr分解为wr＝arNrvr，其中ar表示功率放大因子，vr表示波束控制向量，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵，由此，所述的最大化公式(1)转变成：maxws,wrSNR=ar2|hrdNrvr|2|hsrws|2ar2δr2|hrdNrvr|2+δd2]]>subjectto||vr||2=1ar2≤Pm|hsrws|2+δr2ar2≥||ws||2-η|hssws|2η|hrsNrvr|2(|hsrws|2+δr2),---(2)]]>保证可行性的情况下，ar的最优解为：aropt=Pm|hsrws|2+δr2,]]>将ar的最优解代入最大化公式(2)，得到最大化公式(3)：maxws,vrS(ws,vr)=Pm|hrdNrvr|2|hsrws|2Pmδr2|hrdNrvr|2+δd2|hsrws|2+δr2]]>subjectto||vr||2=1||ws||2≤η(|hssws|2+Pm|hrsNrvr|2),---(3)]]>vr表示为如下的参数：vr=xΠh~rsHh~rdH||Πh~rsHh~rdH||+1-x2Πh~rsH⊥h~rdH||Πh~rsH⊥h~rdH||,]]>其中0≤x≤1，表示的共轭转置，表示的共轭转置，η表示能量收集电路的能量转化效率，∏X表示向X的列空间正交投影，表示向X列空间的正交补投影，因此，最大化公式(3)等价于：max0≤x≤1f(x),]]>其中f(x)定义为：f(x)=maxwsS(ws,vr(x))]]>s.t.||ws||2≤η(|hssws|2+Pm|h~rsvr(x)|2),]]>由此，得出ws的全局最优值为：wsopt=ηPm|h~rsvr|B-1hsrH||B-1/2hsrH||,]]>其中并且分别表示hsr，hss的共轭转置；应该说明的是，中继节点经过时域自干扰消除，与源节点一样采用现有技术中常用的自干扰消除电路实现，如图3所示，这里不再重复。应该说明的是，第一波束赋形向量的计算过程是在中继节点中进行的。S502：采用预设的第二波束赋形向量对第一信号进行波束赋形得到第二信号；具体的，所述的第二波束赋形向量为：其中，ar表示功率放大因子，vr表示波束控制向量，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵；优选的，所述第二波束赋形向量通过如下步骤计算获得：将的表达式代入最大化公式(3)，得到函数f(x)的显性表达式：f(x)=Pma2b2(cx+d1-x2)2Pmb2+a2(c+d1x2-1)+δr2δd2x2,]]>其中，f(x)是一个单峰函数，用二分法得到x的最优解，因此vr的最优解为：vropt=xoptΠh~rsHh~rdH||Πh~rsHh~rdH||+1-xopt2Πh~rsH⊥h~rdH||Πh~rsH⊥h~rdH||,]]>结合所述的ar的最优解，得到wr的全局最优值为应该说明的是，第二波束赋形向量的计算过程是在中继节点中进行的。S503：通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线将所述第二信号发送至源节点和目标节点，以使源节点通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收所述第二信号，并从所述第二信号中获得能量；优选的，第二发送天线至少设置为两根；优选的，第一接收天线设置为一根；应该说明的是，源节点从第二信号中获得能量信息，采用现有技术中常用的能量收集电路实现，如图4所示，这里不再重复。综上，在本发明实施例中，中继节点能够同时发送与接收信号，能够有效提升系统信息传输效率。中继节点的波束赋形处理能够提升中继节点至目的节点链路传输的可靠性，提升系统的性能。方法实施例五本发明在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法的第五种实施例，设定无线供能通信网络中至少包含一个源节点，一个中继节点以及一个目的节点。网络中的噪声功率为源节点的能量转换效率η＝0.8。源节点和中继节点的发送天线数目为Nr＝Ns＝3。源节点处的自干扰信道为其中βss＝-15dB代表路径损耗。类似，βsr＝βrd＝βrr＝βrs＝-60dB分别代表hsr,hrd,hrr,hrs的路径损耗。系统端到端的信噪比最大化公式为：maxws,wrSNR=|hrdwr|2|hsrws|2δr2|hrdwr|2+δd2]]>subjecttohrrwr=00≤Ps=||ws||2≤Es/T|wrhsrws|2+δr2||wr||2≤Pm,]]>将wr分解为wr＝arNrvr，最大化公式转化为：maxws,wrSNR=ar2|hrdNrvr|2|hsrws|2ar2δr2|hrdNrvr|2+δd2]]>subjectto||vr||2=1ar2≤Pm|hsrws|2+δr2ar2≥||ws||2-η|hssws|2η|hrsNrvr|2(|hsrws|2+δr2),]]>其中ar的最优解为：aropt=Pm|hsrws|2+δr2,]]>将上式代入上面的最大化公式，可以得到如下的优化公式：maxws,vrS(ws,vr)=Pm|hrdNrvr|2|hsrws|2Pmδr2|hrdNrvr|2+δd2|hsrws|2+δr2]]>subjectto||vr||2=1||ws||2≤η(|hssws|2+Pm|hrsNrvr|2),]]>得出优化变量的全局最优值为：wsopt=ηPm|h~rsvr|B-1hsrH||B-1/2hsrH||,]]>并且可以证明f(x)是一个单峰函数，用二分法得到x的最优解，因此vr的最优解为：vropt=xoptΠh~rsHh~rdH||Πh~rsHh~rdH||+1-xopt2Πh~rsH⊥h~rdH||Πh~rsH⊥h~rdH||,]]>在此之前，同样得到了最优的ar，因此能够得到wr的全局最优值为wropt=aroptNrvropt.]]>图6为中继发射功率和系统吞吐量的关系曲线图，从图6可以看出，本发明采用全双工技术，提出了一种一段式传输方案，即源节点、中继节点和目的节点可同时接收/发送信号，现有技术采用半双工技术，无法完成同时接收/发送信号的功能，按照本发明实施例的传输方法，与按照现有技术的传输方法相比，在相同的中继发射功率下，吞吐量明显提高，有效提升了整体的系统性能。装置实施例一本发明在无线供能通信网络中能量与信息的传输装置的第一种实施例，如图7所示，应用于无线供能通信网络中全双工的源节点，所述无线供能通信网络中还包括全双工的中继节点和目的节点，所述装置包括：第一波束赋形单元701，用于获得待发送信号，采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形得到第一信号；第一发送单元702，用于将第一信号通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送至中继节点，以使中继节点通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收所述第一信号；第一接收单元703，用于通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收第一信号，从第一信号中获得能量信息；第二接收单元704，用于通过所述第一接收天线接收由中继节点发送的第二信号，从第二信号中获得能量信息；所述的第二信号为：所述中继节点采用预设的第二波束赋形向量对所述第一信号进行波束赋形获得的，并通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线发送至目标节点和源节点的信号。综上，在本发明实施例中，源节点能够在发送信号的同时，收集来自于第一信号及第二信号的能量，这样能够有效提升整个系统的性能。装置实施例二本发明在无线供能通信网络中能量与信息的传输装置的第二种实施例，如图8所示，应用于无线供能通信网络中全双工的中继节点，所述无线供能通信网络中还包括全双工的源节点和目的节点，所述装置包括：第三接收单元801，用于通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收源节点发送的第一信号；所述第一信号为源节点采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形获得的、并通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送的信号；第二波束赋形单元802，用于采用预设的第二波束赋形向量对第一信号进行波束赋形得到第二信号；第二发送单元803，用于通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线将所述第二信号发送至源节点和目标节点，以使源节点通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收所述第二信号，并从所述第二信号中获得能量。综上，在本发明实施例中，中继节点能够同时发送与接收信号，能够有效提升系统信息传输效率。中继节点的波束赋形处理能够提升中继节点至目的节点链路传输的可靠性，提升系统的性能。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。本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3