CN105375955B - 一种信能同传中继网络中的协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信能同传中继网络中的协作传输方法，其实现步骤为：1)源节点向中继节点发送数据包；2)各中继节点根据自身的能量状态判断是否对源节点进行协作：若进行协作，则对源节点发送的信息进行解码并进行能量收集，反之，则仅进行能量收集；3)所有参与协作且能正确译码的中继，根据瞬时信道信息进行协作中继选择，并由被选择的中继协作转发源节点发送的数据包。本发明可使中继节点根据自身能量状态自适应调整协作传输和能量收集策略，可有效的提升系统的抗中断性能。

Description

一种信能同传中继网络中的协作传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种信能同传网络中的中继协作传输方法。

背景技术

中继协作技术通过节点间的相互协作，为目的节点构造“虚拟多天线阵列”从而使接收端获得较高的分集增益，可很好地对抗阴影衰落、多径衰落等的影响。该技术作为提升无线通信系统传输可靠性和传输覆盖范围等的有效途径，受到了广泛的关注和研究。

在协作中继网络中充当中继的节点并非都是充足供能的基站，而往往是一些储能有限的小型终端，这使得系统的性能受限于协作节点所具有的能量。针对节点能量受限问题，2014年Ioannis Krikidis等人在“IEEE Communications Magazine”(《国际电气电子工程师协会通信杂志》)(2014年11月)发表的“Simultaneous Wireless InformationandPower Transfer in ModernCommunication Systems”(《信能同传技术在现代通信系统中的应用》)提出了信能同传技术，可使节点在接收信息的同时从承载信息的射频信号中提取能量用于自身能量补充，达到信息与能量的并行传输，可有效延长网络生存时间、提升系统的性能。针对信能同传的协作中继网络，已有研究从节点的能量收集、功率的分离比率、中继选择方法等对系统进行优化和设计。在信能同传的协作中继网络中，中继节点从源节点发射的信号中解调源节点发送的信息，同时将射频能量转化为电势能储存在自身的储能装置中，在下一时隙消耗节点自身的能量协助源节点进行数据转发。在现有的研究中，并未考虑到中继节点在单位时隙内进行数据转发的最低能量开销。这样一方面，仅依靠信道质量所选择出的中继节点，有可能会因为节点的能量较少不能完成协作转发。使得网络的分集增益既受限于网络中继节点的个数，同时也受限于节点自身的能量状态；另一方面，在中继节点储存能量较少的情况下，若与储存能量较多的中继节点采用相同的功率分离比率，不利于能量较少的中继节点进行能量收集，从而影响系统的整体性能。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明旨在联合考虑信道质量、节点能量状态、节点能量收集，提出一种信能同传中继网络中的协作传输方法，实现可根据中继节点不同的能量状态调整每个中继节点的协作策略与能量收集策略，使系统的性能得到相应的提升。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种信能同传中继网络中的协作传输方法，包括至少一个源节点和目的节点，以及至少两个中继节点；所述方法包括如下步骤：

S1源节点向中继节点发送数据包，各中继节点根据自身的能量状态判断是否对源节点进行协作；

S2若中继节点对源节点进行协作，则对源节点发送的信息进行解码并进行能量收集；若中继节点不对源节点进行协作，则仅从源节点发送的信号中进行能量收集；

S3所有参与协作且对源节点发送的信息能正确译码的中继节点，测量自身与目的节点间链路的瞬时信道增益，根据测量结果进行协作中继选择，并由被选择的中继协作转发源节点发送的数据包。

需要说明的是，步骤S1的具体实施如下：

1.1)源节点S对将要发送的数据包进行编码和调制后，将信号以P_S的功率发送给中继节点R_i，i∈{1，...，N}，N为网络中中继节点的总数；

1.2)各中继节点将自身所储存的能量E_i，i∈{1，...，N}与设定的两个能量门限E₀和E_min进行判决比较：对于任意中继节点R_i，若E_i≥E₀则该中继节点R_i将直接参与中继协作，若E₀＞E_i≥E_min则该中继节点R_i将以概率p参与中继协作，以概率1-p不参与中继协作，若E_i＜E_min则该中继节点R_i不参与中继协作。

进一步需要说明的是，在E₀＞E_i≥E_min条件下中继节点R_i是否参与协作的判决，按如下步骤进行：

a)中继节点R_i均产生一个0到1以内的随机数；

b)中继节点R_i将自身产生的随机数与预定的概率门限值p进行比较；

c)当所产生随机数小于或等于预定的概率门限值p时将中继节点R_i自动参与协作，当所产生随机数大于预定的概率门限值p时中继节点R_i不参与协作。

进一步需要说明的是，E₀为每时隙数据传输的能量开销，E_min为最低能量门限，两者的取值由下式决定：

E₀＝P_R·T；

其中，P_R为中继节点的额定发射功率，A为能量约束因子，A∈[0，1]，η为能量转化效率，λ为功率分离比，λ∈[0，1]，为源节点S到中继节点的平均链路增益，T为单个时隙的时间间隔。

进一步需要说明的是，步骤S2的具体方法如下：

2.1)参与中继协作的所有中继节点R_k，测量其与源节点S链路的瞬时信道增益h_S，k以及与目的节点D链路的瞬时信道增益g_k，D，k∈{1，...，K}，K为参与中继协作的中继节点的总数；并采用λ的功率分离比率来进行能量的收集并将收集到的能量储存于节点的储能装置中，采用1-λ的功率分离比率来进行源节点信息的解码处理，中继节点存在一个最大储能容量E_max，当中继储存的能量超过该值便不能继续储存能量；

2.2)不参与中继协作的所有中继节点R_j，对源节点发送的信息不进行解调，而是将所有的功率用于能量的收集并将收集到的能量储存于节点的储能装置中，j∈{1，...，J}，J为不参与协作的中继节点的总数。

需要说明的是，步骤S3的具体方法如下：

3.1)所有参与协作且对源节点发送信息成功解码的中继节点R_m，根据其与目的节点D链路的瞬时信道增益g_m，D进行协作中继选择，从中选出最优中继R′作为协作中继进行数据转发，m∈{1，...，M}，M为参与协作且成功解码的中继节点的总数；

3.2)被选出的最优中继R′将源节点S发送的数据重新编码后，将编码后的数据包以额定功率P_R发送给目的节点D；

3.3)目的节点D在收到最优中继R′发送的信号后，将对该信号进行解码。

进一步需要说明的是，步骤3.1)中选出最优中继R′作为协作中继的方法如下：

3.1.1)所有参与协作且成功解码的中继R_m将本地时钟初始时间设定为其中为中继节点到目的节点的平均链路增益，t₀为单位倒计时时间；

3.1.2)所有参与协作且成功解码的中继节点R_m同时从各自的初始时间t_m向0进行倒计时；

3.1.3)率先完成倒计时的中继节点R′向其他中继广播中继选择完成的信令，其中R′与源节点S处瞬时信道增益记为h_S，R′，R′与目的节点D处瞬时信道增益记为g_R′，D；

3.1.4)其它进行倒计时的中继节点收到R′发送的信令后全部停止倒计时，协作中继R′准备转发信号。

本发明的有益效果在于：

1、本发明联合考虑了信道质量、节点能量状态、节点能量收集过程。在中继节点进行协作传输时，根据每个节点自身的能量状态，每个中继节点可以动态的调节自身的协作策略和能量收集策略，一方面保证了中继节点在能量较少时能量的回收速度，另一方面保证了系统有较高的抗中断性能。

2、本发明提出的最低能量门限，可使在该门限下的中继节点不需进行不必要的信息处理过程而仅进行能量的回收，避免了能量的浪费且能延长中继网络的生存时间。

附图说明

图1为本发明使用的信能同传中继网络的系统模型图；

图2为本发明的总流程图；

图3为仿真实验中本发明与基于随机中继选择传输方法、基于最优信道的中继选择传输方法在系统中断性能方面的对比图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，本发明使用的信能同传中继网络的系统，由1个源节点S、N个中继节点、1个目的节点D构成。源节点和中继节点均采用额定的功率进行数据传输，系统的协作转发模式为解码转发(DF)模式。

如图2所示，本发明的实现步骤如下：

步骤1：源节点S对将要发送的数据包进行编码和调制后，将信号以P_S的功率发送给所有中继节点。

步骤2：各中继节点R_i根据自身所储存的能量E_i判断是否进行中继协作，判断过程如下：

2.1)对于所有储存能量不小于每时隙数据传输的能量开销E₀的中继节点，将直接参与协作传输，其中E₀＝P_R·T，T为单个时隙的时间间隔。处在此能量状态下的中继节点为能量充足节点；

P_R为中继节点的额定发射功率，A为能量约束因子，A∈[0，1]，η为能量转化效率，λ为功率分离比，λ∈[0，1]，为源节点S到中继节点的平均链路增益。处在此能量状态下的中继节点为能量均衡节点；

2.3)对于储存能量低于E_min的所有中继节点，均不参与协作传输。处在此能量状态下的中继节点为能量非充足节点。

通过上述判断，不同的中继节点可根据自身能量状态选择相应的协作策略，对能量充足的节点使之参与协作以提升系统的抗中断性能，对能量不充足的节点不使其参与协作避免不必要的能量浪费。

步骤3：各中继根据步骤2中的判断结果，相应的进行如下的操作：

(3.1)所有参与协作的中继节点R_k，测量其与源节点S链路的瞬时信道增益h_S，k、与目的节点D链路的瞬时信道增益g_k，D。并采用λ的功率分离比率来进行能量的收集并将收集到的能量储存于节点的储能装置中，即对于任一中继R_k其可从源节点的信号中获得η·λ·P_S·|h_S，k|²·T的能量，中继节点最大储能的容量为E_max，当中继储存的能量超过该值时便不能继续储存能量；采用1-λ的功率分离比来进行源节点信息的解码处理，则对于任一中继R_k节点其用于解码的信号为：

其中，x(t)为源节点S发送的信号，n₀为加性高斯白噪声；

(3.2)不参与中继协作的所有中继节点R_j，对源节点发送的信息不进行解调，将所有的功率用于能量的收集并将收集到的能量储存于节点的储能装置中，则对于任一中继R_j其可从源节点的信号中获得η·P_S·|h_S，j|²·T的能量，其中h_S，j表示中继节点R_j与源节点S链路的瞬时信道增益。

根据不同能量状态采用不同的协作策略，可以保证中继节点在能量较少的情况下快速回收能量，使系统中参与协作的节点维持相对的动态平衡。

步骤4：所有参与协作且成功解码的中继节点R_m，根据其与目的节点D链路的瞬时信道增益g_m，D进行协作中继选择，从中选出最优中继R′作为协作中继进行数据转发，中继选择步骤如下：

(4.1)所有参与协作且成功解码的中继R_m将本地时钟初始时间设定为其中为中继节点到目的节点D的平均链路增益，t₀为单位倒计时时间；

(4.2)所有参与协作且成功解码的中继R_m同时从各自的初始时间t_m向0进行倒计时；

(4.3)率先完成倒计时的中继节点R′向其他中继广播中继选择完成的信令，其中R′与源节点S处瞬时信道增益记为h_S，R′，R′与目的节点D处瞬时信道增益记为g_R′，D；

(4.4)其它各中继收到R′发送的信令后全部停止倒计时，协作中继R′准备转发信号；

步骤5：被选出的最优中继R′将源节点S发送的数据重新编码后，将该数据包以额定功率P_R发送给目的节点D；

步骤6：目的节点D在收到最优中继R′发送的信号后，将对该信号进行解码。

为了验证本发明的性能将通过仿真做进一步说明：

仿真参数设置为：网络中部署的中继个数N＝10，能量转化效率η＝0.75，功率分离比λ＝0.3，能量约束因子A＝0.6，协作概率门限p＝0.7，中继节点处和目的节点处的噪声功率分别为-70dBm和-100dBm，源节点距中继节点的距离为25m，中继节点距离目的节点的距离为10m，中继的额定发射功率为5dBm，目的端解调信噪比门限为60dB。

通过图3的仿真分析可看出，随源节点发射功率的不断增大，系统的中断概率不断降低。基于最优信道的中继选择的传输策略相比于随机中继选择策略，由于选择了信道质量最好的中继进行协作传输有效的降低了系统的中断概率。在本发明的传输方法，可保证中继节点有较充足的能量，在每次的中继选择中会有更多的备选中继参与到协作中。因此采用本发明的传输方法相比于仅考虑信道质量的协作传输方案和随机中继选择的协作传输方案有更优的抗中断性能。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种信能同传中继网络中的协作传输方法，包括至少一个源节点和目的节点，以及至少两个中继节点，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1源节点向中继节点发送数据包，各中继节点根据自身的能量状态判断是否对源节点进行协作；

S2若中继节点对源节点进行协作，则对源节点发送的信息进行解码并进行能量收集；若中继节点不对源节点进行协作，则仅从源节点发送的信号中进行能量收集；

S3所有参与协作且对源节点发送的信息能正确译码的中继节点，测量自身与目的节点间链路的瞬时信道增益，根据测量结果进行协作中继选择，并由被选择的中继协作转发源节点发送的数据包；

步骤S1的具体实施如下：

1.1)源节点S对将要发送的数据包进行编码和调制后，将信号以P_S的功率发送给中继节点R_i，i∈{1,...,N}，N为网络中中继节点的总数；

1.2)各中继节点将自身所储存的能量E_i，i∈{1,...,N}与设定的两个能量门限E₀和E_min进行判决比较：对于任意中继节点R_i，若E_i≥E₀则该中继节点R_i将直接参与中继协作，若E₀＞E_i≥E_min则该中继节点R_i将以概率p参与中继协作，以概率1-p不参与中继协作，若E_i＜E_min则该中继节点R_i不参与中继协作；

在E₀＞E_i≥E_min条件下中继节点R_i是否参与协作的判决，按如下步骤进行：

a)中继节点R_i均产生一个0到1以内的随机数；

b)中继节点R_i将自身产生的随机数与预定的概率门限值p进行比较；

c)当所产生随机数小于或等于预定的概率门限值p时将中继节点R_i自动参与协作，当所产生随机数大于预定的概率门限值p时中继节点R_i不参与协作。

2.根据权利要求1所述的信能同传中继网络中的协作传输方法，其特征在于，E₀为每时隙数据传输的能量开销，E_min为最低能量门限，两者的取值由下式决定：

E₀＝P_R·T；

其中，P_R为中继节点的额定发射功率，A为能量约束因子，A∈[0,1]，η为能量转化效率，λ为功率分离比，λ∈[0,1]，为源节点S到中继节点的平均链路增益，T为单个时隙的时间间隔。

3.根据权利要求1所述的信能同传中继网络中的协作传输方法，其特征在于，步骤S2的具体方法如下：

2.1)参与中继协作的所有中继节点R_k，测量其与源节点S链路的瞬时信道增益h_S,k以及与目的节点D链路的瞬时信道增益g_k,D，k∈{1,...,K}，K为参与中继协作的中继节点的总数；并采用λ的功率分离比率来进行能量的收集并将收集到的能量储存于节点的储能装置中，采用1-λ的功率分离比率来进行源节点信息的解码处理，中继节点存在一个最大储能容量E_max，当中继储存的能量超过该值便不能继续储存能量；

2.2)不参与中继协作的所有中继节点R_j，对源节点发送的信息不进行解调，而是将所有的功率用于能量的收集并将收集到的能量储存于节点的储能装置中，j∈{1,...,J}，J为不参与协作的中继节点的总数。

4.根据权利要求1所述的信能同传中继网络中的协作传输方法，其特征在于，步骤S3的具体方法如下：

3.1)所有参与协作且对源节点发送信息成功解码的中继节点R_m，根据其与目的节点D链路的瞬时信道增益g_m,D进行协作中继选择，从中选出最优中继R'作为协作中继进行数据转发，m∈{1,...,M}，M为参与协作且成功解码的中继节点的总数；

3.2)被选出的最优中继R'将源节点S发送的数据重新编码后，将编码后的数据包以额定功率P_R发送给目的节点D；

3.3)目的节点D在收到最优中继R'发送的信号后，将对该信号进行解码。

5.根据权利要求4所述的信能同传中继网络中的协作传输方法，其特征在于，步骤3.1)中选出最优中继R'作为协作中继的方法如下：

3.1.1)所有参与协作且成功解码的中继R_m将本地时钟初始时间设定为其中为中继节点到目的节点的平均链路增益，t₀为单位倒计时时间；

3.1.2)所有参与协作且成功解码的中继节点R_m同时从各自的初始时间t_m向0进行倒计时；

3.1.3)率先完成倒计时的中继节点R'向其他中继广播中继选择完成的信令，其中中继节点R'与源节点S处瞬时信道增益记为h_S,R'，R'与目的节点D处瞬时信道增益记为g_R',D；

3.1.4)其它进行倒计时的中继节点收到R'发送的信令后全部停止倒计时，协作中继R'准备转发信号。