CN105610486B - 一种基于权重的携能通信系统双向中继选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于权重的携能继通信系统双向中继选择方法，系统能够适应不同的条件，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提高了系统中断性能，进而提高了系统的通信质量，降低中断概率、误码率。

Description

一种基于权重的携能通信系统双向中继选择方法
技术领域
本发明涉及基站和用户双向通信，尤其涉及一种基于权重的携能通信系统双向中继选择方法。
背景技术
中继是物理层的连接设备，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，Wireless Local Area Network)、无线传感器网络(WSN，Wireless SensorNetworks)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。
这里提出了加权控制接收信噪比和用户收集能量，信噪比是度量通信系统通信质量可靠性的一个主要技术指标，增大或改善信噪比是提高通信质量的一项主要任务。能量能够保证系统能够长期有效地运行，无线供电的中继通信是一种新的网络模式，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。而在很多情况下，两者都要兼顾。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：一种双向中继通信下可根据系统实际需求权衡接收信噪比和用户收集能量的中继选择系统有一个加权控制器和一个中继选择控制器；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。
本发明在之前工作的基础上提出了加权因子来控制接收信噪比和用户收集能量的影响力，由前面所述方案，最大化接收信噪比，提高了传输效率，提高通信质量；最大化用户接收能量提高了能量收集效率，保证系统下一次的运行。而在很多情况下，传输效率和能量收集效率都要考虑，不同的条件下有不同的需求。本发明中基站、中继和用户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。
每个中继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。
所述的系统可根据系统实际需求权衡接收信噪比和用户收集能量进行中继选择方案，包括以下步骤：
步骤一，加权控制器根据系统的运行环境或人为调节确定加权因子的值；
步骤二，中继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；
步骤三，基站和用户同时发送信息给选定的中继，；
步骤四，中继对接收到的信号放大并转发给基站和用户；
步骤五，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,...Ri。
这里采用加权中继选择方案，引入一个加权因子α，此方案下选择的中继Ri应满足
这里用系统中断概率和系统能量中断概率反映系统的性能，其中，中继放大因子hi为基站和中继之间的信道系数，gi为用户和中继之间的信道系数，为中继接收信号噪声方差，ρ为用户端功率分配因子，PB为基站B的发射功率，PU为用户U的发射功率。
进一步地，本发明可以做到系统的加权控制器在通信之前指定一个分配因子的值，然后中继选择控制器探测系统的信道信息，从而找到最佳的中继。与仅考虑系统接收信噪比方案和用户接收能量方案相比，该方案明显提高了系统运行过程中的灵活性，降低了系统的中断概率，进而提高了系统的分级增益，降低中断概率和误码率，从而提高系统的吞吐量。
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为本方案与其它方案的中断概率对比图；
图5为本方案与其它方案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，本发明中可根据系统实际需求权衡接收信噪比和用户收集能量进行中继选择的双向中继通信系统有一个加权控制器和一个中继选择控制器；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。
本发明在之前工作的基础上提出了加权因子来控制接收信噪比和用户收集能量的影响力，由前面所述方案，最大化接收信噪比，提高了传输效率，提高通信质量；最大化用户接收能量提高了能量收集效率，保证系统下一次的运行。而在很多情况下，传输效率和能量收集效率都要考虑，不同的条件下有不同的需求。本发明中基站、中继和用户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。
每个中继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，可根据系统实际需求权衡接收信噪比和用户收集能量进行中继选择方案，包括以下步骤：
步骤一，加权控制器根据系统的运行环境或人为调节确定加权因子的值；
步骤二，中继选择控制器探测各中继信道信息，根据本发明方案准则进行中继选择；
步骤三，基站和用户同时发送信息给选定的中继，；
步骤四，中继对接收到的信号放大并转发给基站和用户；
步骤五，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,...Ri。
在用户接收能量最大方案下的中继Ri应满足
在接收信噪比最大方案下选择的中继Ri应满足
这里采用加权中继选择方案，引入一个加权因子α，此方案下选择的中继Ri应满足
这里用系统中断概率和系统能量中断概率反映系统的性能，其中，中继放大因子hi为基站和中继之间的信道系数，gi为用户和中继之间的信道系数，为中继接收信号噪声方差，ρ为用户端功率分配因子，PB为基站B的发射功率，PU为用户U的发射功率。
进一步的，本发明可以做到系统的加权控制器在通信之前指定一个分配因子的值，然后中继选择控制器探测系统的信道信息，从而找到最佳的中继。与仅考虑系统接收信噪比方案和用户接收能量方案相比，该方案明显提高了系统运行过程中的灵活性，降低了系统的中断概率，进而提高了系统的分级增益，降低中断概率和误码率，从而提高系统的吞吐量。
实施方案
如图1，图2，图3，所示，基于本发明系统的由一个基站B、K个中继R1,R2...RK，一个用户U组成。所述系统有一个加权控制器，用来指定加权因子α的值；系统还配备一个中继选择控制器，用来利用本发明探测信道信息，选择中继Ri。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，本发明中加权接收信噪比和用户收集能量进行中继选择。传输开始后，系统的加权控制器指定加权因子α的值，然后中继选择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.系统的加权控制器根据服务需求指定加权因子α的值；
2.系统控制器根据探测到的信道信息选择中继Ri，所根据的原则是
3.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Ri，用户U的发射功率满足其中噪声功率满足
4.假定信道为Nakagami信道，仿真对比图中，改变α的值，可以看出当α＝1时，等效于接收信噪比最大选择方案；当α＝0时，该方案等效于用户接收能量最大化选择方案。进一步的，当α＝0.3时和α＝0.7时，该方案做到了两者的折中。

Claims (1)

1.一种基于权重的携能通信系统双向中继选择方法，系统包括一个基站、多个中继和一个用户，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；系统还包括一个中继选择器来控制中继的选择和一个加权控制器用来控制中继选择器中的加权因子的选择；
基站、中继和用户以半双工模式工作在同一频段，基站和用户之间没有直接链路，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；
每个中继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，基站的能量发射器和信号发射器各有一套天线系统，基站、中继和用户均包括接收单元、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；
其特征在于，所述基于权重的携能通信系统双向中继选择方法具体包括以下步骤：
步骤一，加权控制器根据系统的运行环境或人为调节确定加权因子的值；
步骤二，中继选择控制器探测各中继信道状态信息，根据加权中继选择方案准则进行中继选择；
步骤三，基站和用户同时发送信息给选定的中继；
步骤四，中继对接收到的信号放大并转发给基站和用户；
步骤五，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,...Ri；
所述加权中继选择方案，引入一个加权因子α，此方案下选择的中继Ri应满足
用系统中断概率和系统能量中断概率反映系统的性能，其中，中继放大因子hi为基站和中继之间的信道系数，gi为用户和中继之间的信道系数，为中继接收信号噪声方差，PB为基站B的发射功率，PU为用户U的发射功率。
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