MU-MIMO系统中联合功率分配和预编码设计的优化设计方案

无线自组织网络具有布置灵活，不需要固定设备支持，可由其他用户节点代为进行数据转发的优势，在

目前，无线通信网络的工作时长受设备能量的制约，在这一背景下，无线能量收集技术受到了广泛的关注与研究[1]，并已被证明可有效运用于无线网络中，延长设备的使用时间[2] [3] [4]，由于射频信号可以同时承载信息与能量，参考文献[5] [6] [7] [8] [9]研究了无线信息与能量同时传输系统(SWIPT)， 为后续的理论研究奠定了基础。

无线能量收集技术可以一定程度上解决无线网络的能源短缺问题，但随着网络中接入的设备不断增多，用户的可用频谱受到了极大的限制。与此同时，在偏远地区，信号覆盖也是一个问题。为了解决这一困境，随着多输入多输出(MIMO)技术的成熟，学者们证明了运用MIMO 技术可以有效提高数据吞吐量和系统信息传输距离，而无需额外的带宽或更高的能耗[10]。

MIMO 无线传播信道的两个基本特征是广播和多路访问。因此，某个链路上的发送信号可以被无线网络中的其他相邻节点检测到。这些节点可以形成无线自组织(Ad Hoc)网络，并且作为接收终端的中继站来帮助转发消息。SWIPT MIMO 与中继的结合可以有效提高系统传输速率，此时，无线网络的通信质量由射频能量接收机的结构和预编码性能决定。

在上述问题的驱动下，本文研究了包含两个用户的无线Ad Hoc 网络(WAHN)中的MIMO 系统。本文应用解码–转发(DF)协议下的功率分配接收机来研究发射信号的波束成形和中继节点的功率分配。设计目标是在满足主用户的通信速率需求的前提下，同时最优化功率分配和预编码设计，以最大化从用户的传输速率。

此外， 由于最优化算法带来的计算复杂度， 本文分别利用奇异值分解(SVD)算法和块对角化(BD)算法给出了两个次优的预编码设计，用以与最优化方案作性能对比。

2. 系统模型 本文设计的具有中继节点的MIMO-WAHN 网络如图1 所示。

系统包括源端节点S， 机会主义中继节点R 和两个终端节点——主用户i 与从用户j。假设系统采用半双工模式进行传输，中继节点遵循DF 协议进行数据转发，且所有的信道都是准静态平坦衰弱信道，源端节点配有M 根发射天线。中继节点无固定电源且配有M 根天线，这些天线同时用于发射源端节点及中继节点自身的信号，用户终端都配备有N根接收天线。中继节点转发源端节点的信息给主用户i 的速率要求大于一个最低阈值以保证通信质量， 在这一基础上，中继节点利用剩余的能量将自身的信息发送给从用户j。

在本系统中，传输分为两个时隙阶段完成。在第一个时隙，源端节点向中继节点同时发送能量和信