CN105375972B - 全双工中继装置、全双工中继传输控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全双工中继装置、全双工中继传输控制方法及系统，该方法包括：获取能量采集信息、能量存储信息和各信道状态的历史信息，根据所述信道状态的历史信息、所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息，以系统最大吞吐量为优化目标，通过迭代计算，确定工作模式选择、发射功率调整和目的节点选择的最优值，进而得出所述将能量存储装置工作状态决策信息，进而控制能量存储装置的工作状态。本发明可实现全双工能量采集，并可使得全双工能量采集系统为全双工中继供电，以避免中继在“开”和“关”状态的频繁切换，进而可以提高系统吞吐量。

Description

全双工中继装置、全双工中继传输控制方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种中继装置、全双工中继传输控制方法及系统。

背景技术

在4G网络逐步规模部署的背景下，无线网络节点节能降耗是落实无线通信行业节能减排指标的关键。随着5G网络的建设和演进，各种新技术、新应用、新服务层出不穷，为满足流量爆炸式发展的需要，需要部署更多的网络节点，无线通信行业节能减排形式更加严峻。目前大量无线网络节点布置在诸如环境和安全监测、灾难应急通讯、车载信息采集和电网负载信息采集等各种场景。由于地理等因素，上述应用环境往往缺乏可靠的电网覆盖，易于部署和维护的电力供给是避免通信中断、保证信息及时传达的关键。采用能量收集技术，把环境中的一些能源(如，电磁能、热能、太阳能、风能等)收集起来转化成电能给无线网络节点供电，是解决上述问题的有效手段。通过在两个远距离通信节点之间部署低功率中继节点，可以有效提高远距离通信可靠性，扩大节点覆盖面积，同时避免部署额外大功率基站的开销。因此，在无线网络中部署能量采集系统供能的中继节点，将带来经济和环境双重福利，即，一方面，保证覆盖范围的同时避免额外基站的部署开销，另一方面，降低市电电能消耗及相应碳排放。

然而，由于全双工中继能够实现同时发送数据和接收数据，能有效提高频谱效率，近年来，得到越来越多的关注。现有研究表明，能量采集全双工中继能有效提高系统吞吐量，并已提出了能量采集全双工中继系统中的最优功率分配算法。然而，当中继采用全双工工作模式，由于发送数据和接收数据同时进行并使用相同的频谱资源，中继传输会受到严重的自干扰。另外，全双工工作模式下中继单位时间的能量消耗大于半双工工作模式。因此，对于能量受限的能量采集中继来说，采用全双工工作模式时的系统性能未必优于采用半双工工作模式。

此外，现有文献中多采用采集-使用(Harvest-Use，HU)或者采集-存储-使用(Harvest-Store-Use，HSU)形式的能量采集系统。在HU系统中，能量采集装置直接与负载连接，而在HSU系统中，能量采集装置通过能量存储装置与负载连接。由于能量存储装置的存储能力使得能量的调度可以在时间上进行优化，因此，HSU系统比HU系统得到更广泛的应用。然而，能量存储装置的半双工限制，即充电和放电过程不能同时进行，可能导致传输中断，甚至导致中继“开”和“关”状态的频繁切换。

因此，如何实现全双工能量采集，并使得全双工能量采集系统为全双工中继供电，以避免中继在“开”和“关”状态的频繁切换是目前急需解决的技术问题之一。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种中继装置、全双工中继传输控制方法及系统，实现全双工能量采集系统为全双工中继的供电，避免中继在“开”和“关”状态的频繁切换，进而提升了系统的吞吐量。

一方面，本发明提供了一种全双工中继传输控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取不同时刻的能量采集信息和能量存储信息；

监测各个信道的信道状态历史信息，根据所述信道状态历史信息估计每一信道的信道状态预测信息；

根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息进行工作模式选择、发射功率调整和目的节点选择；

根据当前的工作模式、发射功率和目的节点计算所述能量存储装置的工作状态决策信息，并将所述工作状态决策信息发送给控制器，以使控制器根据所述工作状态决策信息控制所述能量存储装置的工作状态。

优选地，所述监测各个信道的信道状态历史信息，根据所述信道状态历史信息估计每一信道的信道状态预测信息，具体包括以下步骤：

根据所述能量采集信息和信道状态可预测周期获取数据传输时间；

根据所述各个信道的信道状态历史信息，通过信道预测得到所述数据传输时间内每个时隙对应的中继与目的节点之间的信道状态预测信息。

优选地，所述根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息进行工作模式选择、发射功率调整和目的节点选择，具体为：

根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息，以系统最大吞吐量为优化目标，通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值。

优选地，所述根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息，以系统最大吞吐量为优化目标，通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值，具体包括以下步骤：

通过信道测量分别获取与源节点、目的节点之间的瑞利衰落信道增益；

根据中继与所述源节点之间的距离、中继与所述源节点之间的瑞利衰落信道增益以及噪声功率计算中继与所述源节点之间的第一信道增益噪声比；

根据中继与所述目的节点之间的距离、中继与所述目的节点之间的瑞利衰落信道增益以及噪声功率计算中继与所述目的节点之间的第二信道增益噪声比；

根据当前中继的自干扰值以及所述噪声功率计算干扰噪声比；

利用所述第一信道增益噪声比、第二信道增益噪声比、干扰噪声比构造表示该中继的工作模式-发射功率变量模型以及工作模式-目的节点变量模型；

利用所述工作模式-发射功率变量模型以及工作模式-目的节点变量模型构造吞吐量优化问题模型；

以所述吞吐量优化问题模型输出的系统吞吐量最大为优化目标，通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值。

优选地，所述通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值，具体包括：

S1：设定迭代优化初始条件；

S2：计算所述中继工作在不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率；

S3：根据所述不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率计算中继工作模式与目的节点选择变量和中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率的乘积；

S4:根据所述中继工作在不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率计算所述中继工作在不同工作模式时，所述中继与所述目的节点之间的传输速率；

S5：根据所述中继与所述目的节点之间的传输速率计算所述中继工作模式与目的节点选择变量；

所述中继工作模式与目的节点选择变量的表达式为：

其中，υ表示迭代次数，i表示第i个时隙，θ表示不同工作模式，当θ＝0时表示中继工作在半双工工作模式，θ＝1时表示中继工作在全双工工作模式，

无具体物理含义，仅表示变量之间的组合关系，为中继r工作在θ模式时，中继r与目的节点u之间的传输速率，为目的节点u与中继r连接时的信噪比；

S6：根据所述中继工作模式与目的节点选择变量计算所述中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率；

S7：根据所述中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率、所述中继工作模式与目的节点选择变量计算用于迭代的拉格朗日因子；

S8:判断相邻两次迭代计算的拉格朗日因子的差值是否小于预设值，若是，则停止迭代计算，并确定当前中继的发射功率、中继工作模式与目的节点选择变量为最优解；若否，则重复执行步骤S2进行迭代计算。

优选地，所述根据当前的工作模式、发射功率和目的节点计算所述能量存储装置的工作状态决策信息，具体包括：

根据工作模式、发射功率和目的节点的最优值计算出中继每一时隙的能量消耗信息；

根据所述每一时隙的能量消耗信息、能量采集信息以及剩余能量信息得出中继的能量存储装置在每一时隙的工作状态信息，作为所述能量存储装置工作状态决策信息。

优选地，所述根据所述每一时隙的能量消耗信息、能量采集信息以及剩余能量信息得出中继的能量存储装置在每一时隙的工作状态信息，作为所述能量存储装置工作状态决策信息，具体包括：

判断当前时隙采集能量是否大于或等于所述能量消耗；

如果是，则所述当前时隙的起始时刻，该中继的能量采集装置所采集的能量在所述当前时隙直接为该中继供电，剩余能量进入所述能量存储装置进行存储，即能量存储装置充电；

如果否，则继续判断当前时隙所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和是否大于或等于所述能量消耗；

如果所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和大于或等于所述能量消耗，则所述当前时隙的起始时刻所述中继的能量采集装置所采集的能量和所述能量存储装置内的剩余能量在当前时隙一起为该中继供电，所述能量存储装置放电；

如果所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和小于所述能量消耗，则所述当前时隙的起始时刻所述中继的能量采集装置所采集的能量在所述当前时隙直接为该中继供电，所述能量存储装置充电，该中继传输停止，直到所述当前时隙所述能量采集装置内的剩余能量与所述采集能量之和大于或等于所述能量消耗，所述中继恢复传输。

另一方面，本发明提供了一种全双工中继装置，包括：

所述能量采集存储信息获取单元，用于获取不同时刻的能量采集信息和能量存储信息；

所述信道状态预测单元，用于监测各个信道的信道状态历史信息，根据所述信道状态历史信息估计每一信道的信道状态预测信息；

所述选择调整单元，用于根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息进行工作模式选择、发射功率调整和目的节点选择；

所述工作状态决策计算单元，用于根据当前的工作模式、发射功率和目的节点计算所述能量存储装置的工作状态决策信息，并将所述工作状态决策信息发送给控制器，以使控制器根据所述工作状态决策信息控制所述能量存储装置的工作状态。

另一方面，本发明还提供了一种全双工中继传输控制系统，包括能量采集装置、控制器、能量存储装置以及上述中继装置；

所述能量采集装置，用于检测能量采集信息，并将所述能量采集信息发送给所述中继装置；

所述能量存储装置，用于检测能量存储信息，并将所述能量存储信息发送给所述中继装置；

所述控制器，用于根据所述中继装置发送的能量存储装置工作状态决策信息控制能量存储装置的工作状态。

优选地，所述能量采集装置为采集太阳能的能量采集装置。

本发明针对实际能量采集和无线信道的时变特性以及中继不同工作模式特点，提出了以提高系统吞吐量为目标的中继工作模式选择、发射功率调整和目的节点选择的方法与系统，可实现全双工能量采集，并可使得全双工能量采集系统为全双工中继供电，以避免中继在“开”和“关”状态的频繁切换，进而可以提高系统吞吐量。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例提供的全双工中继传输控制方法流程示意图；

图2示出了本发明实施例提供的全双工中继装置结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的全双工中继传输控制系统结构示意图；

图4示出了本发明实施例提供的具体场景中全双工中继传输控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明实施例提供的全双工中继传输控制方法流程示意图；如图1所示，本实施例提供的全双工中继传输控制方法，包括以下步骤：

A1：获取不同时刻的能量采集信息和能量存储信息；

A2：监测各个信道的信道状态历史信息，根据所述信道状态历史信息估计每一信道的信道状态预测信息；

A3：根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息进行工作模式选择、发射功率调整和目的节点选择；

A4：根据当前的工作模式、发射功率和目的节点计算所述能量存储装置的工作状态决策信息，并将所述工作状态决策信息发送给控制器，以使控制器根据所述工作状态决策信息控制所述能量存储装置的工作状态。

本实施例提供的全双工中继传输控制方法，可实现全双工能量采集，并可使得全双工能量采集系统为全双工中继供电，避免了中继在“开”和“关”状态的频繁切换，进而提高了系统吞吐量。

在此基础上，所述步骤A2还可以包括以下步骤：

A21：根据所述能量采集信息和信道状态可预测周期获取用于确定发射功率和工作模式的时间段长度，例如为M+1个时隙，并将该时间段长度作为所述中继的数据传输时间；

其中，所述信道状态可预测周期为可以获得信道状态信息的时间范围；

A22：根据所述各个信道的信道状态历史信息，通过信道预测得到所述数据传输时间内每个时隙对应的中继与目的节点之间的信道状态预测信息。

所述步骤A3具体为：根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息，以系统最大吞吐量为优化目标，通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值。

进一步地，上述步骤A3具体包括以下步骤：

A31：通过信道测量分别获取与源节点、目的节点之间的瑞利衰落信道增益；

A32：根据中继与所述源节点之间的距离、中继与所述源节点之间的瑞利衰落信道增益以及噪声功率计算中继与所述源节点之间的第一信道增益噪声比；

其中，噪声功率通过现有技术中的噪声功率模型而得到，例如优选为-80dBm。

A33：根据中继与所述目的节点之间的距离、中继与所述目的节点之间的瑞利衰落信道增益以及噪声功率计算中继与所述目的节点之间的第二信道增益噪声比；

A34：根据当前中继的自干扰值以及所述噪声功率计算干扰噪声比；

A35：利用所述第一信道增益噪声比、第二信道增益噪声比、干扰噪声比构造表示该中继的工作模式-发射功率变量模型以及工作模式-目的节点变量模型；

A36：利用所述工作模式-发射功率变量模型以及工作模式-目的节点变量模型构造吞吐量优化问题模型；

A37：以所述吞吐量优化问题模型输出的系统吞吐量最大为优化目标，通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值。

作为本实施例的优选，步骤A37中所述通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值，具体包括：

S1：设定迭代优化初始条件；

S2：计算所述中继工作在不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率；

S3：根据所述不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率计算中继工作模式与目的节点选择变量和中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率的乘积；

S4:根据所述中继工作在不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率计算所述中继工作在不同工作模式时，所述中继与所述目的节点之间的传输速率；

S5：根据所述中继与所述目的节点之间的传输速率计算所述中继工作模式与目的节点选择变量；

所述中继工作模式与目的节点选择变量的表达式为：

其中，υ表示迭代次数，i表示第i个时隙，θ表示不同工作模式，当θ＝0时表示中继工作在半双工工作模式，θ＝1时表示中继工作在全双工工作模式，

无具体物理含义，仅表示变量之间的组合关系，为中继r工作在θ模式时，中继r与目的节点u之间的传输速率，为目的节点u与中继r连接时的信噪比；

S6：根据所述中继工作模式与目的节点选择变量计算所述中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率；

S7：根据所述中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率、所述中继工作模式与目的节点选择变量计算用于迭代的拉格朗日因子；

S8:判断相邻两次迭代计算的拉格朗日因子的差值是否小于预设值，若是，则停止迭代计算，并确定当前中继的发射功率、中继工作模式与目的节点选择变量为最优解；若否，则重复执行步骤S2进行迭代计算。

优选地，步骤A4中根据当前的工作模式、发射功率和目的节点计算所述能量存储装置的工作状态决策信息，具体包括：

A41：根据工作模式、发射功率和目的节点的最优值计算出中继每一时隙的能量消耗信息；

A42：根据所述每一时隙的能量消耗信息、能量采集信息以及剩余能量信息得出中继的能量存储装置在每一时隙的工作状态信息，作为所述能量存储装置工作状态决策信息。

进一步地，所述步骤A42还可以进一步包括：

a1：判断当前时隙采集能量是否大于或等于所述能量消耗；

a11：如果是，则所述当前时隙的起始时刻，该中继的能量采集装置所采集的能量在所述当前时隙直接为该中继供电，剩余能量进入所述能量存储装置进行存储，即能量存储装置充电；

a12：如果否，则继续判断当前时隙所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和是否大于或等于所述能量消耗；

a121：如果所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和大于或等于所述能量消耗，则所述当前时隙的起始时刻所述中继的能量采集装置所采集的能量和所述能量存储装置内的剩余能量在当前时隙一起为该中继供电，所述能量存储装置放电；

a122：如果所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和小于所述能量消耗，则所述当前时隙的起始时刻所述中继的能量采集装置所采集的能量在所述当前时隙直接为该中继供电，所述能量存储装置充电，该中继传输停止，直到所述当前时隙所述能量采集装置内的剩余能量与所述采集能量之和大于或等于所述能量消耗，所述中继恢复传输。

图2示出了本发明实施例提供的全双工中继装置结构示意图。如图2所示，本实施例的全双工中继装置包括：能量采集存储信息获取单元1011、信道状态预测单元1012、选择调整单元1013及工作状态决策计算单元1014；

所述能量采集存储信息获取单元1011，用于获取不同时刻的能量采集信息和能量存储信息；

所述信道状态预测单元1012，用于监测各个信道的信道状态历史信息，根据所述信道状态历史信息估计每一信道的信道状态预测信息；

所述选择调整单元1013，用于根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息进行工作模式选择、发射功率调整和目的节点选择；

所述工作状态决策计算单元1014，用于根据当前的工作模式、发射功率和目的节点计算所述能量存储装置的工作状态决策信息，并将所述工作状态决策信息发送给控制器，以使控制器根据所述工作状态决策信息控制所述能量存储装置的工作状态。

图3示出了本发明实施例提供的全双工中继传输控制系统结构示意图。如图3所示，本实施例提供的全双工中继传输控制系统，包括上述实施例提供的中继装置101、能量采集装置102、控制器103和能量存储装置104；

所述能量采集装置102用于检测能量采集信息，并将所述能量采集信息发送给所述中继装置101；所述能量存储装置104用于检测能量存储信息，并将所述能量存储信息发送给所述中继装置101；所述控制器103，用于根据所述中继装置101发送的能量存储装置工作状态决策信息控制能量存储装置104的工作状态。其中，图中的实线箭头表示信息采集方向，虚线箭头表示能量流动方向。

优选地，所述能量采集装置102为采集太阳能的能量采集装置。

图4示出了本发明实施例提供的具体场景中全双工中继传输控制系统结构示意图。如图4所示，本场景中包括1个源节点、5个中继，2个目的节点，每个中继均配备独立的能量采集装置、控制器和能量存储装置，源节点通过中继与目的节点进行通信。

下面以此场景为例，详细说明本实施例提供的全双工中继装置(以下简称中继)、全双工中继传输控制方法及系统的应用过程。

首先，令K＝5为中继个数，r∈{1,2,...,K}为不同中继标识。U＝2为目的节点的个数，u∈{1,2,...,U}为不同目的节点标识。s＝1为源节点标识。T为单位时隙的长度。

各中继的数据传输时间均为M+1个单位时隙长度，M根据能量采集和信道状态可预测周期确定，该信道状态可预测周期指通过现有的预设方法可以获得信道状态信息的时间范围。

M+1个时隙即表示可以确定中继发射功率和工作模式的时间段长度。由于已知能量采集信息和信道状态信息才能确定中继发射功率和工作模式，因而可知M的值受能量采集和信道状态可预测周期影响。

每个时隙，源节点s通过中继r∈{1,2,...,K}为目的节点u∈{1,2,...,U}进行通信。

中继r的能量采集装置将在{t₁,t₂,...}时刻监测到的能量采集信息{E_r,1,E_r,2,...}发送给中继r，其中，{E_r,1,E_r,2,...}中下标的数字(即，1,2，……)分别对应不同时刻{t₁,t₂,...}。

中继r根据监测到的各信道历史信息，通过信道预测的方法得到未来M+1个时隙中继与目的节点之间的信道状态信息预测值。

中继}按照式和计算信道增益噪声比Γ_s,r,i、Γ_r,u,i和干扰噪声比Γ_LIr,i的值，其中，i∈{1,2,...,M+1}表示不同的时隙。d_s,r,i和d_r,u,i分别表示中继r与源节点s和目的节点u之间的距离。|g_s,r,i|和|g_r,u,i|分别为中继r与源节点s和目的节点u之间的瑞利衰落信道增益，通过信道测量的方法获得。其中，σ²为噪声功率(例如，优选为-80dBm)，|g_r,i|为利用现有技术中的自干扰模型而计算得到中继r的自干扰值。

令为中继工作模式与目的节点选择变量，其中，θ为中继不同工作模式标识(θ＝0表示半双工工作模式，θ＝1表示全双工工作模式)。表示的含义是：如果在第i个时隙，中继r工作在θ模式，并为目的节点u提供服务，则否则

令为工作模式-发射功率变量,表示所述中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率，表示的含义是：中继r工作在θ模式时，对目的节点u的发射功率。

为下述优化问题的最优解，该优化问题模型如下：

其中，E_C为能量存储装置的容量。

中继r通过以下方法求解上述优化问题的最优解具体步骤包括：

1、设定迭代优化初始条件：

选择精度值Δ，时隙长度T，拉格朗日因子的初始值，其中，υ为迭代次数，初始值为0，r∈{1,2,...,K}，m∈{1,2,...,M}，m'∈{1,2,...,M+1}，其中，i∈{1,2,...,M+1}，m∈{1,2,...,M}和m'∈{1,2,...,M+1}为取值范围不同的不同时隙的标识；

2、计算所述中继工作在不同工作模式时所述源节点和所述中继

的和功率：

按照下式计算中继r工作模式为θ时，源节点s-中继r-目的节点u链路上源节点s和中继r的和功率

其中，按照式计算。

3、根据所述不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率计算中继工作模式与目的节点选择变量和中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率的乘积：

例如，按照下式计算

4、根据所述中继工作在不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率计算所述中继工作在不同工作模式时，所述中继与所述目的节点之间的传输速率：

按照下式计算中继r工作在θ模式时，中继r与目的节点u之间的

传输速率

其中，目的节点u与中继r连接时可以获得的信噪比按照下述式计算

5、根据所述中继与所述目的节点之间的传输速率计算所述中继工作模式与目的节点选择变量：

令中继按照下式计算

该式子中Λ无具体物理意义，仅表示变量之间的组合关系，表示目的节点u与中继r连接时的信噪比。

6、根据所述中继工作模式与目的节点选择变量计算所述中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率

7、根据所述中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率、所述中继工作模式与目的节点选择变量计算用于迭代的拉格朗日因子：

按照下式计算的值

其中，和为迭代步长，E_C为能量存储装置的容量，为第i个时隙，工作模式为θ的中继r选择目的节点u进行服务时中继r消耗的能量，并根据下式进行计算

其中， 为峰均比，与系统调制方式有关，可认为η为中继功率放大器效率，p_con为其它模块功率，可认为恒定值，在中继开始工作后，由工程人员通过仪器测量获得。

8、令υ＝υ+1，判断相邻两次迭代计算的拉格朗日因子的差值是否小于预设值：

且且

若是，则停止迭代计算，并确定当前中继的发射功率、中继工作模式与目的节点选择变量为最优解；若否，则重复执行步骤S2进行迭代计算。

进一步地，令为第i个时隙中继r能量存储装置内的剩余能量，根据第i个时隙，中继r的能量消耗信息和能量采集信息E_r,i，以及剩余能量信息确定中继r的能量存储装置在第i个时隙的工作状态，步骤具体包括：

a1)根据当前时隙(例如第i个时隙)采集能量是否大于或等于所述能量消耗，即是否大于或等于0,进行如下操作：

a11)如果则当前时隙的起始时刻,即t_i-1时刻，中继r所配置的能量采集装置所收集的太阳能E_r,i-1在第i个时隙直接为中继r供电，剩余能量进入能量存储装置进行存储，即能量存储装置充电；

3)如果则继续根据的判断结果进行如下操作：

4)如果则t_i-1时刻中继r收集的太阳能E_r,i-1和能量存储装置内的剩余能量在第i个时隙一起为中继r供电，能量存储装置放电；

5)如果则t_i-1时刻中继r所配置的能量采集装置所收集的太阳能E_r,i在第i个时隙直接为中继r供电，能量存储装置充电，中继r传输停止，直到中继r恢复传输。

中继r将能量存储装置的工作状态决策信息发送给控制器，控制器根据上述决策信息控制能量存储装置的工作状态，该工作状态决策信息为M+1个时隙内的决策信息。

本实施例提供的全双工中继传输控制系统，通过以提高系统吞吐量为目标进行中继工作模式选择、发射功率调整和目的节点选择，实现了全双工能量采集，并使得全双工能量采集系统为全双工中继供电成为可能，避免了中继在“开”和“关”状态的频繁切换。

Claims (8)

1.一种全双工中继传输控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取不同时刻的能量采集信息和能量存储信息；

监测各个信道的信道状态历史信息，根据所述信道状态历史信息估计每一信道的信道状态预测信息；

根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息进行工作模式选择、发射功率调整和目的节点选择；

根据当前的工作模式、发射功率和目的节点计算能量存储装置的工作状态决策信息，并将所述工作状态决策信息发送给控制器，以使控制器根据所述工作状态决策信息控制所述能量存储装置的工作状态；

其中，所述根据当前的工作模式、发射功率和目的节点计算能量存储装置的工作状态决策信息，具体包括：

根据工作模式、发射功率和目的节点的最优值计算出中继每一时隙的能量消耗信息；

根据所述每一时隙的能量消耗信息、能量采集信息以及剩余能量信息得出中继的能量存储装置在每一时隙的工作状态信息，作为所述能量存储装置工作状态决策信息；

其中，所述根据所述每一时隙的能量消耗信息、能量采集信息以及剩余能量信息得出中继的能量存储装置在每一时隙的工作状态信息，作为所述能量存储装置工作状态决策信息，具体包括：

判断当前时隙采集能量是否大于或等于所述能量消耗；

如果是，则所述当前时隙的起始时刻，该中继的能量采集装置所采集的能量在所述当前时隙直接为该中继供电，剩余能量进入所述能量存储装置进行存储，即能量存储装置充电；

如果否，则继续判断当前时隙所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和是否大于或等于所述能量消耗；

如果所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和大于或等于所述能量消耗，则所述当前时隙的起始时刻所述中继的能量采集装置所采集的能量和所述能量存储装置内的剩余能量在当前时隙一起为该中继供电，所述能量存储装置放电；

如果所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和小于所述能量消耗，则所述当前时隙的起始时刻所述中继的能量采集装置所采集的能量在所述当前时隙直接为该中继供电，所述能量存储装置充电，该中继传输停止，直到所述当前时隙所述能量采集装置内的剩余能量与所述采集能量之和大于或等于所述能量消耗，所述中继恢复传输。

2.如权利要求1所述的全双工中继传输控制方法，其特征在于，所述监测各个信道的信道状态历史信息，根据所述信道状态历史信息估计每一信道的信道状态预测信息，具体包括以下步骤：

根据所述能量采集信息和信道状态可预测周期获取数据传输时间；

根据所述各个信道的信道状态历史信息，通过信道预测得到所述数据传输时间内每个时隙对应的中继与目的节点之间的信道状态预测信息。

3.如权利要求1所述的全双工中继传输控制方法，其特征在于，所述根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息进行工作模式选择、发射功率调整和目的节点选择，具体为：

根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息，以系统最大吞吐量为优化目标，通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值。

4.如权利要求3所述的全双工中继传输控制方法，其特征在于，所述根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息，以系统最大吞吐量为优化目标，通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值，具体包括以下步骤：

通过信道测量分别获取与源节点、目的节点之间的瑞利衰落信道增益；

根据中继与所述源节点之间的距离、中继与所述源节点之间的瑞利衰落信道增益以及噪声功率计算中继与所述源节点之间的第一信道增益噪声比；

根据中继与所述目的节点之间的距离、中继与所述目的节点之间的瑞利衰落信道增益以及噪声功率计算中继与所述目的节点之间的第二信道增益噪声比；

根据当前中继的自干扰值以及所述噪声功率计算干扰噪声比；

利用所述第一信道增益噪声比、第二信道增益噪声比、干扰噪声比构造表示该中继的工作模式-发射功率变量模型以及工作模式-目的节点变量模型；

利用所述工作模式-发射功率变量模型以及工作模式-目的节点变量模型构造吞吐量优化问题模型；

以所述吞吐量优化问题模型输出的系统吞吐量最大为优化目标，通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值。

5.如权利要求4所述的全双工中继传输控制方法，其特征在于，所述通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值，具体包括：

S1：设定迭代优化初始条件；

S2：计算所述中继工作在不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率；

S3：根据所述不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率计算中继工作模式与目的节点选择变量和中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率的乘积；

S4:根据所述中继工作在不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率计算所述中继工作在不同工作模式时，所述中继与所述目的节点之间的传输速率；

S5：根据所述中继与所述目的节点之间的传输速率计算所述中继工作模式与目的节点选择变量；

所述中继工作模式与目的节点选择变量的表达式为：

其中，υ表示迭代次数，i表示第i个时隙，θ表示不同工作模式，当θ＝0时表示中继工作在半双工工作模式，θ＝1时表示中继工作在全双工工作模式，

无具体物理含义，仅表示变量之间的组合关系，为中继r工作在θ模式时，中继r与目的节点u之间的传输速率，为目的节点u与中继r连接时的信噪比；

S6：根据所述中继工作模式与目的节点选择变量计算所述中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率；

S7：根据所述中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率、所述中继工作模式与目的节点选择变量计算用于迭代的拉格朗日因子；

S8:判断相邻两次迭代计算的拉格朗日因子的差值是否小于预设值，若是，则停止迭代计算，并确定当前中继的发射功率、中继工作模式与目的节点选择变量为最优解；若否，则重复执行步骤S2进行迭代计算。

6.一种全双工中继装置，其特征在于，包括：

能量采集存储信息获取单元，用于获取不同时刻的能量采集信息和能量存储信息；

信道状态预测单元，用于监测各个信道的信道状态历史信息，根据所述信道状态历史信息估计每一信道的信道状态预测信息；

选择调整单元，用于根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息进行工作模式选择、发射功率调整和目的节点选择；

工作状态决策计算单元，用于根据当前的工作模式、发射功率和目的节点计算能量存储装置的工作状态决策信息，并将所述工作状态决策信息发送给控制器，以使控制器根据所述工作状态决策信息控制所述能量存储装置的工作状态；

其中，所述根据当前的工作模式、发射功率和目的节点计算能量存储装置的工作状态决策信息，具体包括：

根据工作模式、发射功率和目的节点的最优值计算出中继每一时隙的能量消耗信息；

根据所述每一时隙的能量消耗信息、能量采集信息以及剩余能量信息得出中继的能量存储装置在每一时隙的工作状态信息，作为所述能量存储装置工作状态决策信息；

其中，所述根据所述每一时隙的能量消耗信息、能量采集信息以及剩余能量信息得出中继的能量存储装置在每一时隙的工作状态信息，作为所述能量存储装置工作状态决策信息，具体包括：

判断当前时隙采集能量是否大于或等于所述能量消耗；

如果是，则所述当前时隙的起始时刻，该中继的能量采集装置所采集的能量在所述当前时隙直接为该中继供电，剩余能量进入所述能量存储装置进行存储，即能量存储装置充电；

如果否，则继续判断当前时隙所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和是否大于或等于所述能量消耗；

如果所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和大于或等于所述能量消耗，则所述当前时隙的起始时刻所述中继的能量采集装置所采集的能量和所述能量存储装置内的剩余能量在当前时隙一起为该中继供电，所述能量存储装置放电；

如果所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和小于所述能量消耗，则所述当前时隙的起始时刻所述中继的能量采集装置所采集的能量在所述当前时隙直接为该中继供电，所述能量存储装置充电，该中继传输停止，直到所述当前时隙所述能量采集装置内的剩余能量与所述采集能量之和大于或等于所述能量消耗，所述中继恢复传输。

7.一种全双工中继传输控制系统，其特征在于，包括能量采集装置、控制器、能量存储装置以及如权利要求6所述的中继装置；

所述能量采集装置，用于检测能量采集信息，并将所述能量采集信息发送给所述中继装置；

所述能量存储装置，用于检测能量存储信息，并将所述能量存储信息发送给所述中继装置；

所述控制器，用于根据所述中继装置发送的能量存储装置工作状态决策信息控制能量存储装置的工作状态。

8.如权利要求7所述的全双工中继传输控制系统，其特征在于，所述能量采集装置为采集太阳能的能量采集装置。