CN105188106A - 一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法。它的步骤为：采用两跳的解码转发机制。在第一跳中，源节点发送消息给多个中继节点，中继节点可以选择解码信息或者进行能量捕获，将源节点信号转换成能量并存储到电池中。而在第二跳中，各个中继节点根据能量状态，选择合适的功率将源节点的信息转发给目的节点。同时，中继节点在选择合适的功率时，相互之间可以进行能量合作，并通过两级注水功率分配优化系统吞吐量。本发明可用于具有多个合作式中继，并且通信设备具有无线电能量捕获电路的无线网络中，节点间进行能量合作的机制。

Description

一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法。

背景技术

随着数据通信与多媒体业务需求的发展，有着更大容量，更快传输速率的下一代无线通信技术的相关研究已经在学术界和工业界广泛展开，为更加有效地利用带宽资源、提高网络容量，给用户提供更优质的服务质量(QoS)，同时降低系统功耗，实行绿色通信，很多新的物理层技术，如多天线(MIMO)技术，中继技术，能量捕获技术已被提出，并逐渐成为学术界和业界所共同关注的焦点。这些技术的结合将能极大的提升系统的性能，同时又可以提高系统的能量效率，有效地节约能量，从而满足当今通信业务发展的需求。

在一些能量有限制的无线网络中，比如无线传感器网络、无线自组网(Adhoc)等，网络的能量限制在实际网络的设计和工作当中都是重要的考虑点，因为这些传感器节点和无线节点通常都是由有限的能量供应设备提供能量的，现如今一般都是电池供电。这种能量有限设备的使用寿命则是如今网络设计当中的重点考虑因素，也正因为如此，可以从无线信号当中捕获能量的设备成为了未来网络设计中的热点。这种能够捕获无线信号能量的设备有着许多的实用优点，比如广泛的工作范围，生产成本低，小型接收器的外形，并且因为电磁波的广播特性而有着高效并且丰富的能源来源。不仅如此，在节点与节点之间也可以用无线通信的方式来进行信息和能量上同时的合作，不同节点之间相互信息的共享和能量的传输可以使得网络的性能能够进一步地提高。

发明内容

本发明的目的是利用机会式转发中继系统中的合作和能量捕获的特点，设计出一种中继系统之间信息转发和能量合作的机制。

无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法的步骤如下：

一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法，包括如下步骤：

1)源节点和中继节点之间进行第一跳通信：源节点发送信号给中继节点，各个中继节点根据当前的信道状态信息决定是接收信息还是接收能量，接收信息的中继节点将信息解码以备转发，接收能量的中继节点将源节点信号的能量进行收集，并存储到电池当中；

2)在第一跳通信结束后，中继节点之间进行合作：一方面各个中继节点之间共享信息，形成一个虚拟多天线装置，进行联合译码；另一方面中继节点之间采取两级注水准则相互传输能量从而实现能量合作，以提高在第二跳时系统的吞吐量；将传输后获得的能量与传输前发送的能量之比作为能量传输打折因子β；

所述的两级注水准则为：

S1：每个中继节点根据传统注水法则确定相应中继节点在没有能量合作时功率的水面，第i个中继节点的水面高度为用于第二跳通信；

S2:设置变量其中max(λ_i)为所有中继节点的水面高度的倒数最大值，min(λ_i)为所有中继节点的水面高度的倒数最小值；

S3：各个中继节点以第二跳吞吐量最大化为目标进行能量合作，每个水面高于的中继节点传输能量给水面低于的中继节点；

S4：不断迭代S2、S3过程，直到每个水面高于的中继节点传输的能量给水面低于的中继节点，每个水面低于的中继节点接收的能量为止，从而满足能量守恒；

3)在完成能量合作后，中继节点将信息转发给目的节点，实现第二跳：中继节点进行信息上的合作，形成虚拟多天线装置，所有中继节点一起采用最大比合并编码，发送给目的节点；目的节点接收到信息并进行解码，获得源节点发送的信息。

所述的步骤1)中第一跳的吞吐量R₁表示为：

$R_1={\log }_2(1+\frac{P_s}{N_0}\underset{i=0}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i|h_{si}{|}^2)$

其中h_si是源节点到第i个中继节点的信道状态，x_i是第i个中继节点的工作模式的选择变量，P_s是发送端的功率，N₀是噪声功率，N为中继节点数量；

第i个中继节点捕获到的能量为β_e是能量传输效率，T则是传输的时隙，其中第一跳占η时间,0＜η＜1，为h_si的共轭；在能量合作阶段，在发送前第i个中继节点拥有的能量E_i为：

$E_i={\mathrm{\ϵ}}_i+{\mathrm{\ρ}}_{i^{+}}-{\mathrm{\ρ}}_{i^{-}}$

其中：为第i个中继节点接收到的能量，为第i个中继节点发送的能量。

所述的步骤2)中能量守恒为：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{i^{+}}=\mathrm{\β}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{i^{-}}$

经过能量合作后，各个中继节点根据自身和信道状态，最终的水面有和两个，呈现两级注水的特性，而处于和两个水面之间的中继节点不需要进行能量合作。

所述的步骤3)中的虚拟多天线装置形成一个MISO信道，并且每个天线所使用的功率P_i是经过两级注水之后所得到的，第二跳的吞吐量R₂表示为：

$R_2={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^N{P}_i|h_{id}{|}^2}{N_0})$

其中h_id是第i个中继节点到目的节点的信道状态。

本发明与现有技术相比具有的优点是：利用机会式转发的中继系统中节点可以捕获能量的特性，设计出一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法，使得系统不但能够有效提高性能，同时也在在能量受限的前提下，尽可能的提高单位能量的使用效率，实现在节约能量的同时提高消息传输的吞吐量。除了使用两级注水方法可以有效提高能量利用率，优化系统的性能外，还能够有效使用天线选择算法降低复杂度：中继在第一跳选择进行信息接收的时候是有利于第一跳的吞吐量的，而在一跳选择能量捕获时候是有利于第二跳的吞吐量的，所以中继在模式选择的时候应当即考虑第一跳的吞吐量又考虑第二跳的吞吐量，以使得总的吞吐量能够最大，这个原有的天线选择算法复杂度较大。而本发明中所使用的天线选择低复杂度算法，可以将算法的复杂度从O(2^N)降为O(NlogN)。

附图说明

图1是本发明的两跳转发过程示例；

图2是本发明方法在最优算法以及低复杂度算法和传统方法的性能比较；

图3是本发明方法的算法迭代次数与性能之间的比较；

图4是本发明方法在不同的能量传输打折因子β下性能的比较；

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

在有着无线信号捕获能力的网络当中，我们可以充分利用网络中节点的信息和能量合作的能力。源节点将要发送给目的地节点的数据转发给靠近它的一些中间转发节点，转发节点不仅仅帮助源节点转发信息，并且同时捕获能量以提供自己电路工作的需要，同时不同节点间也进行着能量的合作，以合适的能量合作方法来提高系统的吞吐量。

我们采用两跳转发机制，消息拷贝从源节点到目的节点的转发过程如图1所示。其中S代表源节点。圆圈中的各个节点表示合作式中继节点，用R表示。D代表目的节点。源节点可以发送信息给中继节点，中继节点即可以接收信息，并将消息转发给目的地节点，同时也可以捕获能量，以供自己信息转发的电路所使用。

假定系统中有N＝8个中继节点。路径损失因子m＝2，能量打折因子是β＝0.8，能量传输效率因子β_e＝0.5。

无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法的步骤如下：

1)将系统建模成一个由无线节点组成的1-N-1两跳模型，其中N是合作式中继节点的数目。假定所有中继节点通过某种合作方式能够相互之间进行信息和能量上的合作，形成一个虚拟MIMO装置。

2)源节点发送信号给中继节点，各个中继节点会根据当前的信道状态信息来决定是收信息还是收能量，接收信息的中继节点将信息解码以备转发，接收能量的中继节点将源节点信号的能量收集下来，并存储到电池当中。中继之间会进行合作，合作包括信息方面和能量方面，两者同时进行。考虑到各个中继节点是独立的节点，在进行能量合作时会有能量上的损失，即有一个能量传输打折因子β。

3)在第一跳通信结束后，中继节点之间进行合作：一方面各个中继节点之间共享信息，形成一个虚拟多天线装置，进行联合译码；另一方面中继节点之间采取两级注水准则相互传输能量从而实现能量合作，以提高在第二跳时系统的吞吐量；将传输后获得的能量与传输前发送的能量之比作为能量传输打折因子β；由于有这个打折因子的存在，合作中继之间的并不能像传统多天线一样进行注水法则的功率分配，而是采取一个两级注水准则。

所述的两级注水准则为：

S1：每个中继节点根据传统注水法则确定相应中继节点在没有能量合作时功率的水面，第i个中继节点的水面高度为用于第二跳通信；

S2:设置变量其中max(λ_i)为所有中继节点的水面高度的倒数最大值，min(λ_i)为所有中继节点的水面高度的倒数最小值；

S3：各个中继节点以第二跳吞吐量最大化为目标进行能量合作，每个水面高于的中继节点传输能量给水面低于的中继节点；

S4：不断迭代S2、S3过程，直到每个水面高于的中继节点传输的能量给水面低于的中继节点，每个水面低于的中继节点接收的能量为止，从而满足能量守恒；

4)在完成能量合作后，中继节点将信息转发给目的节点，实现第二跳：中继节点进行信息上的合作，形成虚拟多天线装置，所有中继节点一起采用最大比合并编码，发送给目的节点；目的节点接收到信息并进行解码，获得源节点发送的信息。其系统吞吐量由两跳吞吐量的最小值确定，为了最大化最终的吞吐量，有相应的最优算法和低复杂度算法。

步骤2)中考虑到在第一跳结束后，第一跳的吞吐量可以表示为

$R_1={\log }_2(1+\frac{P_s}{N_0}\underset{i=0}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i|h_{si}{|}^2)$

其中h_si是源节点到第i个中继节点的信道状态，x_i是工作模式的选择变量，P_s是发送端的功率，N₀是噪声功率。

另一方面，各个中继节点也会捕获能量，在捕获阶段无法进行合作，所以每个节点分别捕获各自的能量，第i个中继节点捕获到的能量为 β_e是能量传输效率，T则是传输的时隙，其中第一跳占η时间,0＜η＜1。继而在能量合作阶段，各个节点之间相互传输能量，所以在发送前总共拥有的能量为

$E_i={\mathrm{\ϵ}}_i+{\mathrm{\ρ}}_{i^{+}}-{\mathrm{\ρ}}_{i^{-}}$

步骤3)中考虑到各个中继节点是独立的节点，在进行能量合作时会有能量上的损失，即有一个能量打折因子β，由于能量守恒，所以有

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{i^{+}}=\mathrm{\β}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{i^{-}}$

由于有这个打折因子的存在，合作中继之间的并不能像传统多天线一样进行注水法则的功率分配，而是采取一个两级注水准则。首先每个中继节点会根据没有能量合作之时得到当前最佳的功率分配水面值的值则是由已有的有色信道的注水功率分配法则所确定，即

$P_i={(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}-\frac{N_0}{|h_{id}{|}^2})}^{+}$

其中

$\frac{1}{3}T{{\∫}_H(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}-\frac{N_0}{|h_{id}{|}^2})}^{+}f\left(h_{id}\right){\mathrm{dh}}_{id}=E\[{\mathrm{\ϵ}}_i\]$

然后考虑能量合作，先设置小于水面的中继需要从其他中继获得能量，而大于水面的中继则会发送功率给其他的中继节点，这样完成一次能量合作的过程。然后再根据 $\frac{1}{2}T{\∫}_H{(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}-\frac{N_0}{|h_{id}{|}^2})}^{+}f\left(h_{id}\right){\mathrm{dh}}_{id}=E\[{\mathrm{\ϵ}}_i+{\mathrm{\ρ}}_{i^{+}}-$ ${\mathrm{\ρ}}_{i^{-}}\]$ 可以得到每个中继节点和的值。

特别地，这个水面的调整过程还需要满足能量守恒的条件 所以为了满足这个条件，需要不断重复这个能量合作过程直到确定最终的α，这个迭代过程算法的详细流程如下所示。

算法1(各中继节点之间的能量合作算法)

S1、初始化，将每个λ_i的初值设置成

S2、计算 $\mathrm{\ϵ}={\∫}_H{(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}-\frac{N_0}{|h_{id}{|}^2})}^{+}f\left(h_{id}\right){\mathrm{dh}}_{id}-\frac{2E\[{\mathrm{\ϵ}}_i\]}{T}$ 和 ${\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}-\frac{\mathrm{\ϵ}}{2}}.$

S3、重复S2直到|ε|小于给门限，从而得到没有能量合作情况下的功率的初始分配值 $P_i=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}-\frac{N_0}{|h_{id}{|}^2}.$

S4、先令对每一个中继，如果λ_i-α＞0，则如果-λ_i+βα＞0，则 ${\mathrm{\ρ}}_{i^{-}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}-\frac{1}{\mathrm{\β}\mathrm{\α}},$ 然后重新计算 $\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}+{\mathrm{\ρ}}_{i^{+}}-{\mathrm{\ρ}}_{i^{-}}.$

S5、重复S2步骤直到小于给定门限值。

S6、返回P_i、的值。

经过能量合作后，因为各个中继节点根据自身和信道状态，最终的水面有和两个，所以呈现两级注水的特性。在未进行能量合作时，每个中继节点都是参差不齐的水面，而进行了能量合作后，发送能量的中继节点水面都变为同一个水面，即而接收能量的中继节点的水面都变为另一个水面，即而处于和两个水面之间的中继节点不需要进行能量合作。

步骤4)所考虑的在第二跳中，合作中继节点进行信息上的合作。这个合作使得N个中继节点形成虚拟多天线装置，一起采用最大比合并编码(MRT)，发送给目的节点。这个过程是一个MISO信道，并且每个天线所使用的功率P_i则是经过两级注水之后所得到的，所以这一跳的吞吐量可以表示为

$R_2={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^N{P}_i|h_{id}{|}^2}{N_0})$

其中h_id是第i个中继节点到目的节点的信道状态。因为在信道中采取了解码转发(DF)方式，系统的吞吐量由两跳中的最小值所确定，由此系统总的吞吐量有

R＝min(R₁，R₂)

因为中继在第一跳选择进行信息接收的时候是有利于第一跳的吞吐量的，而在一跳选择能量捕获时候是有利于第二跳的吞吐量的，所以中继在模式选择的时候应当即考虑第一跳的吞吐量又考虑第二跳的吞吐量，以使得总的吞吐量能够最大，这个原有的天线选择算法复杂度较大。而本发明中所使用的天线选择低复杂度算法，可以将算法的复杂度从O(2^N)降为O(NlogN)。算法2(各中继节点信息和能量接收选择算法)

S1、初始化，设 $c_i=\frac{P_s}{N_0}|h_{si}{|}^2,e_i=\frac{|h_{id}{|}^2}{N_0},\mathrm{\Φ}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{c}_i,{\mathrm{\ρ}}_{i^{+}}={\mathrm{\ρ}}_{i^{-}}=0,$ n＝0。

S2、对每一个 $x_i=\frac{{\mathrm{\βc}}_i+{\mathrm{\ρ}}_{i^{+}}-{\mathrm{\ρ}}_{i^{-}}}{{\mathrm{\βc}}_i+\frac{c_i}{e_i}},{\mathrm{\Δ}}_i\left(x_i\right)=x_i{k}_{1i}-(({\stackrel{\·}{x}}_i-x_i)k_{2i}+(1-{\stackrel{\·}{x}}_i)k_{3i}).$

S3、对Δ_i(x_i)进行排序，其中i’是i在排序后对应的标号，重置x_i’＝0。

S4、j从1开始到N,令x_j’＝0，使用算法1得到P_i、的值，计算如果|φ|＜|Φ|，则Φ＝φ，并记录下此时P_i、和x_i的值。

S5、重复S2、S3、S4过程n次，n事先给定。

S6、返回P_i、和x_i的值。

通过计算机仿真表明，在能量严重受限的情况下，可以很明显的看出本发明方法相对于有信息合作但没有能量合作以及没有任何合作的随机系统的优越性。两级注水方案可以有效地提高能量的利用率，从而使得系统的性能获得较大的提高，另外还可以从图2中看到本发明方案中低复杂度算法性能非常接近于最优算法的性能。从图3可以看出本发明方案可以在较小的迭代次数下获得较好的性能。图4显示了不同的β下有能量合作和没有能量合作机制下的性能差距。当β较小时，有能量合作的性能和没有能量合作的性能差距较小，因为这时候能量合作带来的性能损失过大使得能量合作在多数情况下是不启用的。而β较大时，有能量合作的系统比没有能量合作的系统性能要好很多，因为两级注水式的能量合作可以有效地提高能量利用率。

Claims (4)

1.一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)源节点和中继节点之间进行第一跳通信：源节点发送信号给中继节点，各个中继节点根据当前的信道状态信息决定是接收信息还是接收能量，接收信息的中继节点将信息解码以备转发，接收能量的中继节点将源节点信号的能量进行收集，并存储到电池当中；

2)在第一跳通信结束后，中继节点之间进行合作：一方面各个中继节点之间共享信息，形成一个虚拟多天线装置，进行联合译码；另一方面中继节点之间采取两级注水准则相互传输能量从而实现能量合作，以提高在第二跳时系统的吞吐量；将传输后获得的能量与传输前发送的能量之比作为能量传输打折因子β；

所述的两级注水准则为：

S1：每个中继节点根据传统注水法则确定相应中继节点在没有能量合作时功率的水面，第i个中继节点的水面高度为用于第二跳通信；

S2:设置变量其中max(λ_i)为所有中继节点的水面高度的倒数最大值，min(λ_i)为所有中继节点的水面高度的倒数最小值；

S3：各个中继节点以第二跳吞吐量最大化为目标进行能量合作，每个水面高于的中继节点传输能量给水面低于的中继节点；

S4：不断迭代S2、S3过程，直到每个水面高于的中继节点传输的能量给水面低于的中继节点，每个水面低于的中继节点接收的能量为止，从而满足能量守恒；

3)在完成能量合作后，中继节点将信息转发给目的节点，实现第二跳：中继节点进行信息上的合作，形成虚拟多天线装置，所有中继节点一起采用最大比合并编码，发送给目的节点；目的节点接收到信息并进行解码，获得源节点发送的信息。

2.根据权利要求1所述的一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法，其特征在于：所述的步骤1)中第一跳的吞吐量R₁表示为：

$R_1={\log }_2(1+\frac{P_s}{N_0}\underset{i=0}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i|h_{si}{|}^2)$

其中h_si是源节点到第i个中继节点的信道状态，x_i是第i个中继节点的工作模式的选择变量，P_s是发送端的功率，N₀是噪声功率，N为中继节点数量；

第i个中继节点捕获到的能量为β_e是能量传输效率，T则是传输的时隙，其中第一跳占η时间,0＜η＜1，为h_si的共轭；在能量合作阶段，在发送前第i个中继节点拥有的能量E_i为：

$E_i={\mathrm{\ϵ}}_i+{\mathrm{\ρ}}_{i^{+}}-{\mathrm{\ρ}}_{i^{-}}$

其中：为第i个中继节点接收到的能量，为第i个中继节点发送的能量。

3.根据权利要求1所述的一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法，其特征在于：所述的步骤2)中能量守恒为：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{i^{+}}=\mathrm{\β}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{i^{-}}$

经过能量合作后，各个中继节点根据自身和信道状态，最终的水面有和两个，呈现两级注水的特性，而处于和两个水面之间的中继节点不需要进行能量合作。

4.根据权利要求1所述的一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法，其特征在于：所述的步骤3)中的虚拟多天线装置形成一个MISO信道，并且每个天线所使用的功率P_i是经过两级注水之后所得到的，第二跳的吞吐量R₂表示为：

$R_2={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^N{P}_i|h_{id}{|}^2}{N_0})$

其中h_id是第i个中继节点到目的节点的信道状态。