CN105517097A - 一种基于接收能量最大化的携能通信系统双向中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于接收能量最大化的携能通信系统双向中继选择方法，最大限度克服通信过程中能量受限问题，为系统长期有效地工作提供了可能，适用于无线通信。系统在运行时，存在多个可供用户选择的中继节点，中继选择技术按照本发明方案选择一个最优中继，基站和用户利用选定的中继转发信息。其中用户配备充电电池，从接收到的信号中收集能量，基站和中继配备电池。利用本发明，与随机选择相比明显降低了系统因能量不足而导致的中断。

Description

一种基于接收能量最大化的携能通信系统双向中继选择方法

技术领域

本发明涉及双向携能通信系统，尤其涉及一种基于接收能量最大化的携能通信系统双向中继选择方法。

背景技术

无线供电的中继通信是一种新的网络模式，用户从信号中收集的能量一部分用来解码信号，一部分保存下来用于下次通信，用户的电池可以通过微波无线电力传输装置进行远程补充技术(WPT)，无线供电的通信网络(WPCN)减少了频繁地手动更换电池以及充电的麻烦，并有更高的吞吐量，更长的元件寿命，以及更低的网络运营成本。此外，WPCN可以根据不同的环境和服务需求控制它的发射功率，波形、占用时间、频率尺寸等。

中继是网络物理层的连接设备，主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发，来扩大网络传输的距离。简单通俗地说，中继就是用来在网络中放大信号的，而双向中继通信方案在同一个物理信道中支持了两个单向信道，实现了更大的和速率，因此双向中继技术得到了广泛的研究，该技术可以提高系统吞吐量，弥补单向中继系统频谱低下的缺点。目前，双向中继系统为无线局域网(WLAN，WirelessLocalAreaNetwork)、无线传感器网络(WSN，WirelessSensorNetworks)中的高效数据通信提供了一种有效的技术手段，已经得到学术界和产业界的高度重视。

这里采用基于用户接收能量最大准则制定中继选择方案。受电池技术发展的限制，电源能量极其有限，为了解决能量受限问题，将能量收集技术作为能量补充手段的可充电网络应运而生，为长期有效运行提供了可能。能量收集技术为解决无线传感器网络的能源供给问题提供有效途径的同时，也为可充电传感器网络的研究带来挑战：由于所获取的能量是不稳定且不可控的，如何最大化所获取的能量，使得网络性能得到优化是可充电传感器网络中急需解决的首要问题。可充电传感器网络不仅具有传统电池供电的无线传感器网络所有的优点，如易部署、低功耗、大规模、自组织、可靠性强等特点，还具有以下优势：无需定期维护、更好的服务质量、持久性工作、绿色环保等。能量收集技术使传感器节点能够克服电能量受限问题，为无线传感器网络长期有效地工作提供了可能。然而，由于采用能量收集技术从信号中获取的能量具有时变特性，因此如何利用获取的能量来最大化成为关键问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：一种带无线充电的基站和用户双向通信在用户收集能量最大下的中继选择方案，由一个基站、多个中继和一个用户组成，其中基站和中继配有电池，用户没有电源供应，采用无线充电技术，从接收信号中收集能量并进行充电。本发明中，中继有一个放大器，基站和用户都一个解码器，系统还配备一个选择控制器。

本发明中以用户收集能量最大为准则进行中继的选择，用户主要由通信设备、控制器、能量获取模块、能量存储模块等模块组成。本发明中所有节点都以半双工模式工作在同一频段，所考虑的基站和用户之间没有直接联系，而是通过选定的中继协作通信。在第一个时隙内，用户和基站同时向中继发射各自的信号，在第二个时隙内，中继节点将接收到的信号首先进行放大，再向用户和基站转发，基站和用户各自解码出所需要的信息。

不同的中继网络有一个对应的放大器，用来将接收信号放大以满足中继的功率限制，基站和用户都有一个解码器，发送端能量发射器和信号发射器的有两套天线系统，系统各个节点包括接收单元、发送单元和数据处理单元，基站和用户中继在接入控制单元的控制下，通过中继转发进行通信。

本发明所述的系统基于接收能量最大化的中继选择方案，包括以下步骤：

步骤一，选择控制器探测各中继信道状态信息，根据本发明方案准则进行中继选择；

步骤二，基站和用户同时发送信息给选定的中继，；

步骤三，中继对接收到的信号放大并转发给基站和用户；

步骤四，基站和用户对接收到的信号解码，其中用户收集能量，在给定的功率因子下一部分能量用来解码信号，一部分能量保存下来为下次发送信号提供能量；

假设基站为B，用户为U，i个中继分别为R₁,R₂,...R_i。

基站接收信号表达式为

$y_B=\sqrt{P_{R_i}}{h_i}^H{\mathrm{\α}}_i{y}_{R_i}+n_B$

用户接收信号表达式为

$y_U=\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}\sqrt{P_{R_i}}{g_i}^H{\mathrm{\α}}_i{y}_{R_i}+n_U$

用户收集能量为

$P_E={\mathrm{\ρP}}_{R_i}|g_i{|}^2$

在接收能量最大化方案下选择的中继R_i应满足

$i_{ESM}=\arg \underset{i}{\max }\min \left|\right|g_i|{|}^2$

这里定义系统能量中断概率为P_out ^E＝P_r{P_E＜P_th ^E}，由于用户收集的能量要勇于下次通信，所以收集能量有个最小值为P_th ^E，收集能量越大则对应系统能量中断概率越小，可以用系统能量中断概率表征用户收集能量。

其中，中继放大因子 为中继接收到的信号，h_i为基站和中继之的信道系数，g_i为用户和中继之的信道系数，分别为用户、基站和中继接收信号噪声方差，ρ为用户端功率分配因子。

进一步的，本发明可以做到系统的选择控制器在通信之前探测系统的信道信息，从而找到最佳的中继。与随机选择相比，该方案明显提高了系统用户收集能量，降低了系统的能量中断概率。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明方法流程图；

图3为用户模块结构图；

图4本方案与随机选择的能量中断概率对比图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

结合图1，图2，图3，本发明基于接收能量最大化为准则进行中继基站和用户双向通信系统由一个基站、多个中继和一个用户组成，其中基站和中继配有电池，用户没有电源供应，采用无线充电技术，从接收信号中收集能量并进行充电。本发明中，中继有一个放大器，基站和用户都一个解码器，系统还配备一个选择控制器。

,本发明中以用户收集能量最大为准则进行中继的选择，用户主要由通信设备、控制器、能量获取模块、能量存储模块等模块组成。本发明中所有节点都以半双工模式工作在同一频段，所考虑的基站和用户之间没有直接联系，而是通过选定的中继协作通信。在第一个时隙内，用户和基站同时向中继发射各自的信号，在第二个时隙内，中继节点将接收到的信号首先进行放大，再向用户和基站转发，基站和用户各自解码出所需要的信息。

不同的中继网络有一个对应的放大器，用来将接收信号放大以满足中继的功率限制，基站和用户都有一个解码器，发送端能量发射器和信号发射器的有两套天线系统，系统各个节点包括接收单元、发送单元和数据处理单元，基站和用户中继在接入控制单元的控制下，通过中继转发进行通信。

结合图2，系统基于接收能量最大化的中继选择方案，包括以下步骤：

步骤一，选择控制器探测各中继信道状态信息，根据本发明方案准则进行中继选择；

步骤二，基站和用户同时发送信息给选定的中继，；

步骤三，中继对接收到的信号放大并转发给基站和用户；

步骤四，基站和用户对接收到的信号解码，其中用户收集能量，在给定的功率因子下一部分能量用来解码信号，一部分能量保存下来为下次发送信号提供能量；

假设基站为B，用户为U，i个中继分别为R₁,R₂,...R_i。

基站接收信号表达式为

$y_B=\sqrt{P_{R_i}}{h_i}^H{\mathrm{\α}}_i{y}_{R_i}+n_B$

用户接收信号表达式为

$y_U=\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}\sqrt{P_{R_i}}{g_i}^H{\mathrm{\α}}_i{y}_{R_i}+n_U$

用户收集能量为

$P_E={\mathrm{\ρP}}_{R_i}|g_i{|}^2$

根据接收能量最大化选择的中继R_i应满足

$i_{ESM}=\arg \underset{i}{\max }\min \left|\right|g_i|{|}^2$

这里定义系统能量中断概率为P_out ^E＝P_r{P_E＜P_th ^E}，由于用户收集的能量要勇于下次通信，所以收集能量需要大于门限P_th ^E，收集能量越大则对应系统能量中断概率越小，可以用系统能量中断概率表征用户收集能量。

其中，中继放大因子 为中继接收到的信号，h_i为基站和中继之的信道系数，g_i为用户和中继之的信道系数，分别为用户、基站和中继接收信号噪声方差，ρ为用户端功率分配因子。

进一步的，本发明可以做到系统的选择控制器在通信之前探测系统的信道信息，从而找到最佳的中继。与随机选择相比，该方案明显提高了系统用户收集能量，降低了系统的能量中断概率。

实施方案

如图1所示，基于本发明系统的由一个基站B、K个中继R₁,R₂...R_K，一个用户U组成。所述系统还配备一个选择控制器，用来利用本发明探测信道信息，选择中继R_i。其中不同的中继有对应的一个放大器，用来将接收信号放大以满足中继的功率限制；基站和用户都有一个解码器，用来从混合信号中解码出所需信号。本发明中，基站和中继配有电池，用户没有电源供应，采用无线充电技术，从接收信号中收集能量和充电。

如图2所示，本发明中以接收能量最大化为准则进行中继的选择。传输开始后，系统的控制器探测信道信息，选择中继，在第一个时隙内，基站和用户向选定的中继发送信息；在第二个时隙内，中继节点将接收到的信号首先进行放大，再向用户和基站转发，基站和用户各自解码出所需要的信息。

具体实施如下：

1.系统选择控制器根据探测到的信道信息选择中继R_i，所根据的原则是 $i_{ESM}=\arg \underset{i}{\max }\min \left|\right|g_i|{|}^2;$

2.基站和用户给中继发送信号，然后中继放大转发给用户和基站，仿真中假定基站B，中继R_i，用户U的发射功率满足其中 $P_B=P_{R_i}={\mathrm{\γ}}_0,$ 噪声功率满足 ${\mathrm{\σ}}_B={\mathrm{\σ}}_{R_i}={\mathrm{\σ}}_U=1.$

3.假定信道为Nakagami为信道，由于可以由能量中断概率来表征系统用户接收能量大小，仿真得出本发明中能量中断概率和随机选择结果对比图。证明了本发明可以做到显著减少了系统能量中断概率，提高了系统的通信质量。

Claims (2)

1.一种基于接收能量最大化的携能通信系统双向中继选择方法，基站和用户双向通信系统由一个基站、多个中继和一个用户组成，其中基站和中继配有电池，用户没有电源供应，采用无线充电技术，从接收信号中收集能量并进行充电，中继包括一个放大器，基站和用户都包括一个解码器，系统还配备一个选择控制器；

以用户收集能量最大为准则进行中继的选择，用户主要由通信设备、控制器、能量获取模块、能量存储模块等模块组成，基站、用户和中继都以半双工模式工作在同一频段，所考虑的基站和用户之间没有直接联系，而是通过选定的中继协作通信；在第一个时隙内，用户和基站同时向中继发射各自的信号，在第二个时隙内，中继节点将接收到的信号首先进行放大，再向用户和基站转发，基站和用户各自解码出所需要的信息；

不同的中继网络有一个对应的放大器，用来将接收信号放大以满足中继的功率限制，基站的能量发射器和信号发射器各有一套天线系统，基站、用户和中继均包括接收单元、发送单元和数据处理单元，基站和用户在接入控制单元的控制下，通过中继转发进行通信。

2.权利要求1所述的方法，具体包括以下步骤：

步骤一，选择控制器探测各中继信道状态信息，根据用户收集能量最大化准则进行中继选择；

步骤二，基站和用户同时发送信息给选定的中继，；

步骤三，中继对接收到的信号放大并转发给基站和用户；

步骤四，基站和用户对接收到的信号解码，其中用户收集能量，在给定的功率因子下一部分能量用来解码信号，一部分能量保存下来为下次发送信号提供能量；

假设基站为B，用户为U，i个中继分别为R₁,R₂,...R_i，

基站接收信号表达式为

$y_B=\sqrt{P_{R_i}}{h_i}^H{\mathrm{\α}}_i{y}_{R_i}+n_B$

用户接收信号表达式为

$y_U=\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}\sqrt{P_{R_i}}{g_i}^H{\mathrm{\α}}_i{y}_{R_i}+n_U$

用户收集能量为

$P_E={\mathrm{\ρP}}_{R_i}|g_i{|}^2$

在接收能量最大方案下选择的中继R_i应满足

$i_{EHM}=\arg \underset{i}{\max }\min \left|\right|g_i|{|}^2$

定义系统因能量不足而导致中断的概率为P_out ^E＝P_r{P_E＜P_th ^E}，简称为能量中断概率，由于用户收集的能量要用于下次通信，所以收集能量有个最小值为P_th ^E，用系统能量中断概率表征用户收集能量；

其中，中继放大因子 ${\mathrm{\α}}_i=\frac{1}{\sqrt{P_B|h_i{|}^2+P_U|g_i{|}^2+{{\mathrm{\σ}}_{R_i}}^2}},$ y_Ri为中继接收到的信号，h_i为基站和中继之的信道系数，g_i为用户和中继之的信道系数，σ_B,σ_U,σ_Ri分别为用户、基站和中继接收信号噪声方差，ρ为用户端功率分配因子。