CN104469952A

CN104469952A - 基于最优功率分离的无线信能同传中继网络中的传输方法

Info

Publication number: CN104469952A
Application number: CN201410640955.3A
Authority: CN
Inventors: 张超; 胡兰生
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-11-13
Also published as: CN104469952B

Abstract

本发明公开了一种基于最优功率分离的无线信能同传中继网络中的传输方法，包括：1)中继节点进行信道估计；2)源节点以固定功率向中继节点发送信号，中继节点根据信道估计的结果以最优策略动态调整分配给能量接收与信息传输的功率分离比率，得能量接收与信息传输的最优功率分离比率ρ^*及1-ρ^*；3)中继节点能量接收与信息传输的最优功率分离比率ρ^*及1-ρ^*进行能量的接收及信号的转发；4)目的节点对中继节点转发的信号进行信息检测。本发明实现中继节点动态调整分配给能量接收及信息传输的最优功率分离比率，从而获得更优的传输性能。

Description

基于最优功率分离的无线信能同传中继网络中的传输方法

技术领域

本发明属于无线中继网络的信能同传技术领域，具体涉及一种基于最优功率分离的无线信能同传中继网络中的传输方法。

背景技术

在无线通信系统中，无线电波既能携带能量，也能携带信息。无线信能同传系统将实现无线能量和信息的同时传输，其对无线传感器网络意义重大。现如今的无线网络中，传感器或节点往往配有电池，由于更换电池有时会比较困难，使得无线网络的使用寿命受到限制。通过周围环境中的无线电信号收集能量能平衡网络能量的分布，大大延长使用寿命。

信息和能量的同时传输，主要有TS(time switching)和PS(powersplitting)两种接收方法。基于这两种接收方法，无线信能同传中继网络主要有两种协议，TSR(TS-based relaying)和PSR(PS-based relaying)。目前，静态的TSR和PSR协议已经得到研究。现有技术一般采用固定功率分离比率，从而不能有效的得到无线信能同传中继网络中的最优功率分离，因此信号的传输性能大大降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于最优功率分离的无线信能同传中继网络中的传输方法，该方法实现中继节点动态调整分配给能量接收及信息传输的最优功率分离比率，从而获得更优的传输性能。

为达到上述目的，本发明所述的基于最优功率分离的无线信能同传中继网络中的传输方法包括以下步骤：

1)中继节点进行信道估计；

2)源节点以固定功率向中继节点发送信号，中继节点根据信道估计的结果以最优策略动态调整分配给能量接收与信息传输的功率分离比率，得能量接收与信息传输的最优功率分离比率ρ^*及1-ρ^*；

3)中继节点接收源节点发送的信号，中继节点中的能量接收机根据能量接收的最优功率分离比率ρ^*进行能量的接收；中继节点中的信息接收机根据信息传输的最优功率分离比率1-ρ^*进行信号的接收，并对接收到的信号进行归一化，中继节点再利用接收到的能量对归一化的信号进行放大，并将放大后的信号转发至目的节点；

4)目的节点对中继节点转发的信号进行信息检测。

所述中继节点对信道估计的结果为：得全部信道信息或部分信道信息。

当中继节点对信道估计的结果为得到全部信道信息时，则能量接收与信息传输的最优功率分离比率为ρ^*及1-ρ^*，其中

ρ^{*} = \{\begin{matrix} \frac{1}{2} & a_{1} = 0 \\ \frac{- b_{1} - \sqrt{{b_{1}}^{2} - 4 a_{1} c_{1}}}{2 a_{1}} & a_{1} &NotEqual; 0 \end{matrix}

，a₁＝σ_d ²-|g|²σ_p ²，

b_{1} = - 2 ({σ_{d}}^{2} + \frac{{σ_{p}}^{2} {σ_{d}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}}), c_{1} = {σ_{d}}^{2} + \frac{{σ_{p}}^{2} {σ_{d}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}},

σ_d ²为目的节点的噪声，g为中继节点到目的节点的信道增益，σ_p ²为信号处理噪声，h为源节点到中继节点的信道增益，P_s为源节点的发送功率。

当中继节点对信道估计的结果为得到部分信道信息时，则能量接收与信息传输的最优功率分离比率为ρ^*及1-ρ^*，其中，

ρ^{*} = b_{2} - \sqrt{\frac{c_{2}}{a_{2}}},

a_{2} = \frac{{| h |}^{2} P_{s} + γ_{0} {σ_{r}}^{2}}{{σ_{d}}^{2}}, b_{2} = 1 + \frac{{σ_{p}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}},

c_{2} = (1 + \frac{{σ_{p}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}}) \frac{\frac{({| h |}^{2} P_{s} + γ_{0} {σ_{r}}^{2}) {σ_{p}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}} + 2 γ_{0} {σ_{r}}^{2} + γ_{0} {σ_{p}}^{2}}{{σ_{d}}^{2}},

P_s为源节点的发送功率，h为源节点到中继节点的信道增益，σ_r ²为中继节点的天线噪声功率，σ_p ²为信号处理噪声，σ_d ²为目的节点的噪声，γ₀为目的节点进行信息检测的中断信噪比门限。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于最优功率分离的无线信能同传中继网络中的传输方法在进行信号传输过程中，中继节点进行信道估计，然后根据信道估计的结果以最优策略动态调整分配给能量接收与信息传输的功率分离比率，得能量接收与信息传输的最优功率分离比率ρ^*及1-ρ^*，然后根据能量接收与信息传输的最优功率分离比率ρ^*及1-ρ^*进行信号的处理，从而有效提高信号传输的性能，操作简单、方便。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为无线信能同传中继网络系统模型；

图3为本发明与现有技术的中断性能比较图；

图4为增益性能随λ_h变化的情况图；

图5为增益性能随λ_g变化的情况图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的基于最优功率分离的无线信能同传中继网络中的传输方法包括以下步骤：

1)中继节点进行信道估计；

4)目的节点对中继节点转发的信号进行信息检测。

ρ^{*} = \{\begin{matrix} \frac{1}{2} & a_{1} = 0 \\ \frac{- b_{1} - \sqrt{{b_{1}}^{2} - 4 a_{1} c_{1}}}{2 a_{1}} & a_{1} &NotEqual; 0 \end{matrix}

，a₁＝σ_d ²-|g|²σ_p ²，

b_{1} = - 2 ({σ_{d}}^{2} + \frac{{σ_{p}}^{2} {σ_{d}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}}), c_{1} = {σ_{d}}^{2} + \frac{{σ_{p}}^{2} {σ_{d}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}},

ρ^{*} = b_{2} - \sqrt{\frac{c_{2}}{a_{2}}},

a_{2} = \frac{{| h |}^{2} P_{s} + γ_{0} {σ_{r}}^{2}}{{σ_{d}}^{2}}, b_{2} = 1 + \frac{{σ_{p}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}},

c_{2} = (1 + \frac{{σ_{p}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}}) \frac{\frac{({| h |}^{2} P_{s} + γ_{0} {σ_{r}}^{2}) {σ_{p}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}} + 2 γ_{0} {σ_{r}}^{2} + γ_{0} {σ_{p}}^{2}}{{σ_{d}}^{2}},

为验证本发明的性能，进行如下仿真：

设

σ_{r}^{2} = - 20 dBm, σ_{p}^{2} = - 20 dBm, σ_{d}^{2} = - 17 dBm,

信噪比中断门限为γ₀＝7，对于固定功率分离比率策略，分别取固定功率分离比率为ρ＝0.4，ρ＝0.6，ρ＝0.8。图3给出了各种策略下不同发送功率时系统的信能仿真曲线，其中，λ_h＝λ_g＝1.5。由图3可以看出，本发明可以获得比固定功率分离比率策略时更优的性能。另外，中继节点已知部分信道信息时，可以达到与中继节点已知全部信道信息时相近的性能。

为更直观描述系统的性能增益，我们定义性能增益如下：

η_{full} = - \ln \frac{P_{out}^{full}}{P_{out}^{ρ = 0.4}}, η_{par} = - \ln \frac{P_{out}^{par}}{P_{out}^{ρ = 0.4}}, η_{ρ = 0.6} = - \ln \frac{P_{out}^{ρ = 0.6}}{P_{out}^{ρ = 0.4}}, η_{ρ = 0.8} = - \ln \frac{P_{out}^{ρ = 0.8}}{P_{out}^{ρ = 0.4}} .

图4图5给出了性能增益仿真曲线，发送功率为P_s＝40dBm，图4仿真了性能增益随λ_h变化的情况，其中λ_g＝1.5；图5仿真了性能增益随λ_g变化的情况，其中λ_h＝1.5。由图可以看出，本文所提的策略可以获得比固定功率分离比率策略时更优的性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims

1.一种基于最优功率分离的无线信能同传中继网络中的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)中继节点进行信道估计；

4)目的节点对中继节点转发的信号进行信息检测。

2.根据权利要求1所述的基于最优功率分离的无线信能同传中继网络中的传输方法，其特征在于，所述中继节点对信道估计的结果为：得全部信道信息或部分信道信息。

3.根据权利要求2所述的基于最优功率分离的无线信能同传中继网络中的传输方法，其特征在于，当中继节点对信道估计的结果为得到全部信道信息时，则能量接收与信息传输的最优功率分离比率为ρ^*及1-ρ^*，其中

ρ^{*} = \{\begin{matrix} \frac{1}{2} & a_{1} = 0 \\ \frac{- b_{1} - \sqrt{{b_{1}}^{2} - 4 a_{1} c_{1}}}{{2 α}_{1}} & a_{1} &NotEqual; 0 \end{matrix},

a₁＝σ_d ²-|g|²σ_p ²，

b_{1} = - 2 ({σ_{d}}^{2} + \frac{{σ_{p}}^{2} {σ_{d}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}}), c_{1} = {σ_{d}}^{2} + \frac{{σ_{p}}^{2} {σ_{d}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}},

σ_d ²为目的节点的噪声，g为中继节点到目的节点的信道增益，σ_p ²为信号处理噪声，σ_r ²为中继节点的天线噪声功率，h为源节点到中继节点的信道增益，P_s为源节点的发送功率。

4.根据权利要求3所述的基于最优功率分离的无线信能同传中继网络中的传输方法，其特征在于，当中继节点对信道估计的结果为得到部分信道信息时，则能量接收与信息传输的最优功率分离比率为ρ^*及1-ρ^*，其中，

ρ^{*} = b_{2} - \sqrt{\frac{c_{2}}{a_{2}}}, a_{2} = \frac{{| h |}^{2} P_{s} + γ_{0} {σ_{r}}^{2}}{{σ_{d}}^{2}}, b_{2} = 1 + \frac{{σ_{p}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}},

c_{2} = (1 + \frac{{σ_{p}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}}) \frac{\frac{({| h |}^{2} P_{s} + γ_{0} {σ_{r}}^{2}) {σ_{p}}^{2}}{{| h |}^{2} P_{s} + {σ_{r}}^{2}} + 2 γ_{0} {σ_{r}}^{2} + γ_{0} {σ_{p}}^{2}}{{σ_{d}}^{2}},

P_s为源节点的发送功率，h为源节点到中继节点的信道增益，σ_p ²为信号处理噪声，σ_d ²为目的节点的噪声，γ₀为目的节点进行信息检测的中断信噪比门限。