CN104579594A - 基于波束成型的swipt中继网络中arq协议的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，该协议包括：在发送端，源节点向目的节点广播发送数据包，等待来自目的节点的反馈信息。在接收端，目的节点根据接收到的信息进行检测，如果正确接收该信息，目的节点则会广播确认信号ACK，源节点接收到该信号以后则继续传输下一个新的数据包，否则目的节点则会广播非确认信号NACK，此时，中继网络中正确解码的中继根据本发明中波束成型方法进行预处理，然后进行数据包的重新传输。

Description

基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域中的中继协作传输协议，特别涉及一种基于波束成型的SWIPT(信能同传)中继网络中ARQ协议的实现方法。

背景技术

中继协作通信是利用分布式单天线终端间的可用空间分集(spatial diversity)的一种有效策略。由于无线中继网络中中继节点的自然分布特性，在资源受限或大规模的中继网络中可以明显提高无线通信系统的性能。但当源节点发送给目的节点的数据成功解码时，此时如果再中继就显得多余了，考虑到中继阶段要占用信道的一部分带宽，增强型中继又或者称为协作ARQ协议被提了出来，希望取得较好的频谱效率。

在能量约束的无线中继网络，例如无线传感器网络中，节点通常配有固定的能量供给装置，例如，电池。如此，在充电或者更换电池不方便的场景中，中继网络的生命时间就会受到限制。从自然环境，如太阳能、风能等收集能量给中继网络提供了新的能源供应方式。除了这些常用的能源，从射频信号中收集能量吸引了越来越多的注意，因为收集的能量多少易于控制。基于信能同传通信的概念，信息和能量的同时传输被提出。接着，两种实用的接收机结构被设计了出来，分别叫做时间切换(TS)结构和功率分配(PS)结构。信能同传通信自然而然的被应用到了中继网络，在中继网络中中继节点从源节点的射频信号中收集能量并使用收集到的能量将源节点的信息转发给目的节点。那么，选择一个或多个合适的中继节点对于提高系统的性能是非常重要的。然而对于能量受限的中继网络，大部分的研究都集中在中继节点收集能量的情况，到目前为止，还没有专门为带反馈信息的SWIPT无线中继网络设计的中继选择协议。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供了基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，与传统传输方式相比，该方法可以有效的提高系统的性能。

为达到上述目的，本发明通过如下的技术方案予以实现：

基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，包括以下步骤：

1)在发送端，源节点首先向网络中的继节点及目的节点广播所要发送的数据包，并等待来自目的节点的反馈信息，反馈信息为确认信息ACK或非确认信息NACK；

2)在接收端，目的节点根据接收到的数据包进行信息检测，如果信息检测正确，则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，若否，则向源节点和中继节点广播非确认信息NACK；

3)在由M个能够进行能量收集的中继组成的无线中继网络中，中继采用解码-转发方式，若中继接收到来自目节点广播的确认信息ACK，则进行初始化，即擦除接收到的一切信息和收集到的能量，能量恢复到初始值零；否则在正确解码的中继中选取多个中继进行重新传输数据包的操作；其中，M>1；

若源节点和中继节点接收到的信息是非确认信息NACK，则进行如下步骤：

31)各个中继节点采用的是基于功率分流架构的能量收集模式，每个中继节点都采用相同的功率分流比值，在由M个中继节点组成的网络中，中继节点根据事先已经确定的功率分流比率ρ接收到的信息进行解码，其中，0≤ρ≤1；

32)待全部中继经过解码后，中继网络分为两部分，一部分是由不能正确解码的中继组成，另一部分是由可正确解码的中继组成的集合；

33)在能够正确解码的中继组成的集合中，中继将接收的能量作为本次发送信息所需的能量，在正确解码的中继组合中，所有中继节点都参与到重新传输过程，此时中继不只是简单的重新传输自己所译码正确的数据包，而是在重新传输之前先进行简单的预处理，即每个正确解码的中继估计各自到目的节点的相位信息，记为φ_k，中继重新传输前乘以该加权因子j表示复数的虚部；经此预处理后，所有正确解码的中继同时向目的节点重新传输自己的数据包，不需要分不同的时隙。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，在接收端，目的节点根据信息检测正确与否，若信息检测正确，目的节点则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，此时源节点将传输下一个新的数据包；否则，则向源节点和中继节点广播非确认信息NACK，进入由中继参与的重新传输阶段。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，若该中继网络没有可正确解码的中继，则没有由中继参与的重新传输过程。

相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本发明基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，该方法采用的是带有反馈信息的通信系统，也即根据目的节点的反馈信息才判断是否中继参与到此次的信息传输中，且在ARQ过程中，正确解码的中继能够被全部利用，与传统的中继网络传输而言，并没有增加时隙的开销,可提高频谱效率；另外，本系统下，能量有限的中继网络收集能量并用收集到的能量进行传输，中继是自给自足式的，因此也就不需要更换电池，特别是对于处于恶劣环境(有毒、峡谷等)中。

附图说明

图1为本发明基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法的流程图；

图2为本发明中ARQ传输系统的模型框图；

图3为本发明中信能同传中继的PS架构图；

图4为本发明中仿真性能图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

假设网络中包括一个源节点S，一个目的节点D，和M个中继节点R,h_k为第k个中继节点的前向链路的信道状态信息，g_k为第k个中继节点的前向链路的信道状态信息。

参见图1至图3，本发明基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，包括以下步骤：

1)在发送端，源节点首先向网络中的继节点及目的节点广播所要发送的数据包，并等待来自目的节点的反馈信息，反馈信息为确认信息ACK或非确认信息NACK；

2)在接收端，目的节点根据接收到的数据包进行信息检测，如果信息检测正确，则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，若否，则向源节点和中继节点广播非确认信息NACK；

3)在由M个能够进行能量收集的中继组成的无线中继网络中，中继采用解码-转发方式，若中继接收到来自目节点广播的确认信息ACK，则进行初始化，即擦除接收到的一切信息和收集到的能量，能量恢复到初始值零；否则在正确解码的中继中选取一个或者多个中继进行重新传输数据包的操作；其中，M>1。

其中，上述步骤2)中，在接收端，目的节点根据信息检测正确与否，若信息检测正确，目的节点则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，此时源节点将传输下一个新的数据包；否则，则向源节点和中继节点广播非确认信息NACK，进入由中继参与的重新传输阶段。

其中，上述步骤3)中，若源节点和中继节点接收到的信息是非确认信息NACK，则ARQ协议被激活。此协议的具体实施方案如下：

采用基于波束成型(Beamforming)的ARQ协议，所述协作节点的确定具体包括以下步骤：

31)各个中继节点采用的是基于功率分流架构的能量收集模式，每个中继节点都采用相同的功率分流比值，在由M个中继节点组成的网络中，中继节点根据事先已经确定的功率分流比率ρ接收到的信息进行解码，其中，0≤ρ≤1；源节点以固定功率P_s发送信息，发送的信号为s，那么第k个中继节点接收到的信号与接收能量分别为：

$y_{\mathrm{rk}}=\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}\sqrt{P_s}{h}_{k}s+\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{n}_{a,r}+n_{c,r}$

E_k＝ηρP_S|h_k|²T/2＝ρP_S|h_k|²T/2；(η＝1)

其中n_a,r为中继节点的天线噪声，n_c,r为中继节点处射频信号转化为基带信号产生的噪声；η为能量收集电路的转换效率，不妨设为1，如图2所示T为一个时隙的长度；

32)待全部中继经过解码后，中继网络分为两部分，一部分是由不能正确解码的中继组成，另一部分是由可正确解码的中继组成的集合；

成功解码的中继中第k个中继的发送功率为

$P_{r,k}=\frac{E_k}{T/2}=\mathrm{\ρ}{P}_s{\left|h_k\right|}^2$

成功解码的中继到目的节点的瞬时信噪比为

${\mathrm{\γ}}_{D,k}=\frac{P_{r,k}{\left|g_k\right|}^2}{{{\mathrm{\σ}}^2}_{a,d}+{{\mathrm{\σ}}^2}_{c,d}}=\frac{\mathrm{\ρ}{P}_s{\left|h_k\right|}^2{\left|g_k\right|}^2}{{{\mathrm{\σ}}^2}_{a,d}+{{\mathrm{\σ}}^2}_{c,d}}$

其中，σ² _a,d为目的节点处天线噪声的功率，σ² _c,d为目的节点处射频信号转化为基带信号产生的噪声功率；

33)在能够正确解码的中继组成的集合中，中继将接收的能量作为本次发送信息所需的能量，在正确解码的中继组合中，所有中继节点都参与到重新传输过程，此时中继不只是简单的重新传输自己所译码正确的数据包，而是在重新传输之前先进行简单的预处理，即每个正确解码的中继估计各自到目的节点的相位信息，记为φ_k，中继重新传输前乘以该加权因子j表示复数的虚部。经此预处理后，所有正确解码的中继同时向目的节点重新传输自己的数据包，不需要分不同的时隙，如图2所示。考虑一种极端情况，若该中继网络没有可正确解码的中继，则没有由中继参与的重新传输过程。

采用波束成型，则目的节点的信噪比为

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BF}}=\frac{{\left(\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{P_{r,k}}\right|g_k\left|\right)}^2}{{{\mathrm{\σ}}^2}_{a,d}+{{\mathrm{\σ}}^2}_{c,d}}=\frac{\mathrm{\ρ}{P}_s{\left(\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\right|h_k\left|\right|g_k\left|\right)}^2}{{{\mathrm{\σ}}^2}_{a,d}+{{\mathrm{\σ}}^2}_{c,d}}$

m为一次传输中正确解码的中继个数；

仿真实验和效果分析

仿真模型参数为：中继个数M＝4，源节点的传输速率R＝1bits/sec/Hz，中继节点和目的节点引入噪声的功率都为1/2，信道参数λ_sd＝λ_h＝λ_k＝1。

仿真结果分析，，通过仿真得到的不同发送功率下的最优功率分流比值，如下表所示：

发送功率/dB	1	3	5	7	9	11	13	15
									最优功率分流比	0.43	0.43	0.45	0.45	0.47	0.47	0.49	0.51

根据上表的参数仿真了本发明提出的中断概率性能曲线，并分别仿真了无中继节点及源节点重复传输的中断概率性能曲线，从图中能够看出本发明中提出ARQ协议的实现方法的性能曲线要明显优于上述两种情况，性能得到了极大地提升。

Claims (3)

1.基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在发送端，源节点首先向网络中的继节点及目的节点广播所要发送的数据包，并等待来自目的节点的反馈信息，反馈信息为确认信息ACK或非确认信息NACK；

2)在接收端，目的节点根据接收到的数据包进行信息检测，如果信息检测正确，则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，若否，则向源节点和中继节点广播非确认信息NACK；

3)在由M个能够进行能量收集的中继组成的无线中继网络中，中继采用解码-转发方式，若中继接收到来自目节点广播的确认信息ACK，则进行初始化，即擦除接收到的一切信息和收集到的能量，能量恢复到初始值零；否则在正确解码的中继中选取多个中继进行重新传输数据包的操作；其中，M>1；

若源节点和中继节点接收到的信息是非确认信息NACK，则进行如下步骤：

31)各个中继节点采用的是基于功率分流架构的能量收集模式，每个中继节点都采用相同的功率分流比值，在由M个中继节点组成的网络中，中继节点根据事先已经确定的功率分流比率ρ接收到的信息进行解码，其中，0≤ρ≤1；

32)待全部中继经过解码后，中继网络分为两部分，一部分是由不能正确解码的中继组成，另一部分是由可正确解码的中继组成的集合；

33)在能够正确解码的中继组成的集合中，中继将接收的能量作为本次发送信息所需的能量，在正确解码的中继组合中，所有中继节点都参与到重新传输过程，此时中继不只是简单的重新传输自己所译码正确的数据包，而是在重新传输之前先进行简单的预处理，即每个正确解码的中继估计各自到目的节点的相位信息，记为φ_k，中继重新传输前乘以该加权因子e^-jφk，j表示复数的虚部；经此预处理后，所有正确解码的中继同时向目的节点重新传输自己的数据包，不需要分不同的时隙。

2.根据权利要求1所述的基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，其特征在于，步骤2)中，在接收端，目的节点根据信息检测正确与否，若信息检测正确，目的节点则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，此时源节点将传输下一个新的数据包；否则，则向源节点和中继节点广播非确认信息NACK，进入由中继参与的重新传输阶段。

3.根据权利要求1所述的基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，其特征在于，步骤3)中，若该中继网络没有可正确解码的中继，则没有由中继参与的重新传输过程。