CN105792366A - 同道干扰下无线充能中继网络最优传输时隙时间分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同道干扰下无线充能中继网络最优传输时隙时间分配方法，包括以下步骤：一次完整的传输时长为T，分为两阶段。第一，在下行传输中，混合接入点首先以最优的时间长度α^*T向中继广播能量信号，与此同时，中继开始收集能量用于上行传输，由于干扰的存在，中继收集的能量来源包括混合接入点和干扰源；第二，在上行传输中，源节点用时长(1‑α^*)T/2广播信息，之后中继节点根据解码正确与否，利用剩余时长转发该信息。本发明可以快速得到最优的时间分配比例α^*。

Description

同道干扰下无线充能中继网络最优传输时隙时间分配方法

技术领域：

本发明涉及移动通信技术领域中无线能量传输中继网络，特别涉及一种同道干扰下无线充能中继网络最优传输时隙时间分配方法。

背景技术：

在能量受限的无线网络中，例如无线传感器网络中，节点通常配有固定的能量供给装置，例如，电池。如此，在充电或者更换电池不方便的场景中，网络的生命时间就会受到限制。从自然环境，如太阳能、风能等收集能量给中继网络提供了新的能源供应方式。除了这些常用的能源，从射频信号中收集能量的方式吸引了越来越多的注意，主要有TS(timeswitching)和PS(power splitting)两种接收方法。该方式被应用到的一个场景被称为信能同传网络；另一种是无线能量传输网络，它与信能同传网络不同之处在于无线信息和能量传输来自不同的方向。在无线能量传输网络中，基站或混合接入点往往配备有固定的能量源，不会受到限制，源节点(例如手机用户)往往配备的是有限的能量源且其发送功率值是小于基站或者混合接入点的发送功率值；而中继节点往往没有固定的能量源，不得不从基站或混合接入点收集能量来完成自身信息的传输。然而在实际的无线传输系统中，由于频率复用技术的使用，相干干扰是不可避免的，在过去这种干扰被视为是有害于有用信息的传输，但由于能量收集技术的出现，这部分干扰也可作为源节点发送功率的一部分能量来源。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供了一种同道干扰下无线充能中继网络最优传输时隙时间分配方法，给出了获得最优的时间分配比例方法，有效地提高了系统的性能。

为达到上述目的，本发明通过如下的技术方案予以实现：

同道干扰下无线充能中继网络最优传输时隙时间分配方法，包括以下步骤：

1)在下行传输中，混合接入点用最优的时间长度α^*T广播能量信号，由于干扰源的存在，中继收集分别来自混合接入点和干扰源的能量，用于传输信息，其中，0<α^*<1，其中，T为一次完整的传输时长；

2)在源节点端，以时长广播自己的源节点信息，中继接收到此信号；

3)在中继端，中继根据接收到的信号进行解码，并根据解码正确与否参与下一阶段的协作传输，如果解码正确，中继端参与下一阶段的协作传输，占用时长为在混合接入点端，进行信息检测，如果解码错误，中继端将接收到的能量用于维持内部电路消耗，并保持缄默状态，不参与下一阶段的协作传输。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，混合接入点以最优的时长α^*T广播能量信号，其中，最优的时间分配比例α^*确定如下：

根据系统吞吐量τ＝R(1-P_out)(1-α)/2，首先要确定系统中断概率P_out与时间分配比例的关系，关系如下：

$P_{out}=1-e^{-X-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_2}^m({{\mathrm{\&sigma;}}_r}^2+{{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2)}{P_s}}$

其中， $X=\frac{-{{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2{d_1}^m+\sqrt{{\left({{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2{d_1}^m\right)}^2+\frac{2{\mathrm{\&gamma;}}_{th}(1-\mathrm{\&alpha;})d_1^{2m}{{\mathrm{\&sigma;}}_a}^2{P}_a}{\mathrm{\&alpha;}}}}{2P_a},$ R为源节点固定发送速率，γ_th＝2^2R-1为信信噪比门限，为干扰功率大小，为混合点噪声功率，为中继点噪声功率，m为路径损耗指数，d₁为接入点到中继的距离，d₂为源节点到中继的距离，P_a为接入点发送功率，P_s为源节点发送功率；

由此，系统的吞吐量表达为为使系统的吞吐量最大，对τ求关于α的一阶导数，如下：

$\frac{d\mathrm{\&tau;}}{d\mathrm{\&alpha;}}=\frac{R}{2}{e}^{-X-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_2}^m({{\mathrm{\&sigma;}}_r}^2+{{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2)}{P_s}}\&lsqb;\frac{(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d}_1^{2m}{{\mathrm{\&sigma;}}_a}^2}{\sqrt{{\left(2{\mathrm{\&alpha;}}^2{\mathrm{\&sigma;}}_I^2{d_1}^m\right)}^2+8P_a{\mathrm{\&gamma;}}_{th}({\mathrm{\&alpha;}}^3-{\mathrm{\&alpha;}}^4){d_1}^{2m}{{\mathrm{\&sigma;}}_a}^2}}-1\&rsqb;$

注意到，最优时间分配比例满足又由于化简后α^*满足一个多项式，即：

$\begin{array}{c}(4{\mathrm{\&sigma;}}_I^2{d_1}^{2m}-8P_a{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}{\mathrm{\&sigma;}}_a^2){\mathrm{\&alpha;}}^4+8P_a{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}{\mathrm{\&sigma;}}_a^2{\mathrm{\&alpha;}}^3-{\left({\mathrm{\&sigma;}}_a^2{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}\right)}^2{\mathrm{\&alpha;}}^2\\ +2{\left({\mathrm{\&sigma;}}_a^2{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}\right)}^2\mathrm{\&alpha;}-{\left({\mathrm{\&sigma;}}_a^2{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}\right)}^2=0\end{array}$

通过迭代算法，获得最优的时间分配例α^*。

本发明进一步的改进在于，迭代算法选用牛顿迭代法。

相对于现有技术，本发明具有如下的技术效果：

本发明同道干扰下无线充能中继网络最优传输时隙时间分配方法，与传统信能同传相比，将混合接入点作为中继节点能量的来源，减轻了源节点的能量负担，且将干扰源作为源节点或中继节点能量来源的组成部分，使得干扰不仅仅是以对系统有害的成份存在，还可以进行能量补充，且本方案给出了最优的时间分配比例，使得系统性能最佳。另外，本系统下，能量受限的中继收集能量并用收集到的能量进行传输，是自给自足式的，因此也就不需要更换电池，可以降低系统的能量消耗。

附图说明：

图1为本发明同道干扰下无线充能中继网络最优传输时隙时间分配方法的流程图；

图2为本发明中无线充能中继网络系统的模型框图；

图3为本发明中无线充能中继网络的TS架构图；

图4为本发明中仿真性能图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

假设网络中包括一个混合接入点a，一个源节点s，和一个中继节点r，h为接入点和中继间的信道状态信息，g为中继和源节点间的信道状态信息，接入点到中继的距离为d₁，源节点到中继的距离为d₂。

参见图1至图3，本发明同道干扰下无线充能中继网络最优传输时隙时间分配方法，包括以下步骤：

1)在下行传输中，混合接入点用最优的时间长度α^*T广播能量信号，由于干扰源的存在，中继收集分别来自混合接入点和干扰源的能量，用于传输信息，其中，0<α^*<1，其中，T为一次完整的传输时长；

2)在源节点端，以时长广播自己的源节点信息，中继接收到此信号；

3)在中继端，中继根据接收到的信号进行解码，并根据解码正确与否参与下一阶段的协作传输，如果解码正确，中继端参与下一阶段的协作传输，占用时长为在混合接入点端，进行信息检测，如果解码错误，中继端将接收到的能量用于维持内部电路消耗，并保持缄默状态，不参与下一阶段的协作传输。

其中，步骤1)中，混合接入点以最优的时长α^*T广播能量信号，其中，最优的时间分配比例α^*确实如下：

在下行传输中，中继节点接收到的信号及接收能量分别为：

$y_r^a=\sqrt{\frac{P_a}{{d_1}^m}}hs+I_r+{\hat{n}}_r$

$E_r=\mathrm{\&eta;}(\frac{P_a}{{d_1}^m}{\left|h\right|}^2+{{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2)\mathrm{\&alpha;}T$

其中，P_a为接入点发送功率，d₁为接入点到中继的距离，m为路径损耗指数，为高斯噪声，I_r为中继节点处的干扰，服从高斯分布，方差为η为能量收集电路的转换效率，不妨设为1，如图2所示T为一个时隙的长度；

因此，中继节点的发送功率为

$P_r=\frac{E_r}{(1-\mathrm{\&alpha;})T/2}=\frac{2\mathrm{\&alpha;}}{1-\mathrm{\&alpha;}}(\frac{P_a}{{d_1}^m}{\left|h\right|}^2+{{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2)$

在上行传输中，中继节点接收到来自源节点的信息为：

$y_r^s=\sqrt{\frac{P_s}{{d_2}^m}}gx+I_r+n_r$

其中，P_s为源节点发送功率，一般其值小于接入点发送功率大小，d₂为源节点到中继的距离，n_r为中继点的噪声，服从均值为0，方差为σ_r ²的高斯分布；

因此，信干噪比为

${\mathrm{\&gamma;}}_r^s=\frac{P_s{\left|g\right|}^2}{({\mathrm{\&sigma;}}_r^2+{\mathrm{\&sigma;}}_I^2){d_2}^m}$

中继采用解码-转发方式，只有解码正确，中继才协作源节点，在此种情况下，接入点接收到的信号为

$y_a^r=\sqrt{\frac{P_r}{{d_2}^m}}hx+n_a$

其中，n_a为接入点的噪声，服从均值为0，方差为σ_a ²的高斯分布；

因此，信噪比为 ${\mathrm{\&gamma;}}_a^r=\frac{P_r{\left|h\right|}^2}{{{\mathrm{\&sigma;}}_a}^2};$

根据系统吞吐量τ＝R(1-P_out)(1-α)/2，首先要确定系统中断概率P_out与时间分配比例的关系，关系如下：

$P_{out}=1-e^{-X-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_2}^m({{\mathrm{\&sigma;}}_r}^2+{{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2)}{P_s}}$

其中， $X=\frac{-{{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2{d_1}^m+\sqrt{{\left({{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2{d_1}^m\right)}^2+\frac{2{\mathrm{\&gamma;}}_{th}(1-\mathrm{\&alpha;}){d_1}^{2m}{{\mathrm{\&sigma;}}_a}^2{P}_a}{\mathrm{\&alpha;}}}}{2P_a},$ R为源节点固定发送速率，γ_th＝2^2R-1为信信噪比门限；

由此，系统的吞吐量可表达为为使系统的吞吐量最大，对τ求关于α的一阶导数，如下：

$\frac{d\mathrm{\&tau;}}{d\mathrm{\&alpha;}}=\frac{R}{2}{e}^{-X-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_2}^m({{\mathrm{\&sigma;}}_r}^2+{{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2)}{P_s}}\&lsqb;\frac{(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d}_1^{2m}{{\mathrm{\&sigma;}}_a}^2}{\sqrt{{\left(2{\mathrm{\&alpha;}}^2{\mathrm{\&sigma;}}_I^2{d_1}^m\right)}^2+8P_a{\mathrm{\&gamma;}}_{th}({\mathrm{\&alpha;}}^3-{\mathrm{\&alpha;}}^4){d_1}^{2m}{{\mathrm{\&sigma;}}_a}^2}}-1\&rsqb;$

注意到，最优时间分配比例满足又由于化简后α^*应满足一个多项式，即：

$\begin{array}{c}(4{\mathrm{\&sigma;}}_I^2{d_1}^{2m}-8P_a{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}{\mathrm{\&sigma;}}_a^2){\mathrm{\&alpha;}}^4+8P_a{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}{\mathrm{\&sigma;}}_a^2{\mathrm{\&alpha;}}^3-{\left({\mathrm{\&sigma;}}_a^2{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}\right)}^2{\mathrm{\&alpha;}}^2\\ +2{\left({\mathrm{\&sigma;}}_a^2{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}\right)}^2\mathrm{\&alpha;}-{\left({\mathrm{\&sigma;}}_a^2{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}\right)}^2=0\end{array}$

通过现有的快速迭代算法，例如牛顿迭代法，我们可以求得最优的α^*。

仿真实验和效果分析：

仿真模型参数为：源节点的传输速率R＝1bit/sec/Hz，噪声d₁＝8.5m，d₂＝1.5m，P_s＝P_a/2,中继节点的干扰功率h～CN(0,1)，g～CN(0,1)。

如图4所示，仿真结果分析，通过仿真本发明提出最优时间分配方案获得的系统平均吞吐量，为验证所提方案为最优方案，我们用一维穷尽搜索获得的最优时间分配比例作为基准，从图中可以看出，由本发明所获得的吞吐量曲线与一维穷尽搜索所获得曲线是重合的；且本发明所获得曲线明显优于固定三组时间分配比例所获得的曲线。

Claims (3)

1.同道干扰下无线充能中继网络最优传输时隙时间分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在下行传输中，混合接入点用最优的时间长度α^*T广播能量信号，由于干扰源的存在，中继收集分别来自混合接入点和干扰源的能量，用于传输信息，其中，0<α^*<1，其中，T为一次完整的传输时长；

2)在源节点端，以时长广播自己的源节点信息，中继接收到此信号；

3)在中继端，中继根据接收到的信号进行解码，并根据解码正确与否参与下一阶段的协作传输，如果解码正确，中继端参与下一阶段的协作传输，占用时长为在混合接入点端，进行信息检测，如果解码错误，中继端将接收到的能量用于维持内部电路消耗，并保持缄默状态，不参与下一阶段的协作传输。

2.根据权利要求1所述的同道干扰下无线充能中继网络最优传输时隙时间分配方法，其特征在于，步骤1)中，混合接入点以最优的时长α^*T广播能量信号，其中，最优的时间分配比例α^*确定如下：

根据系统吞吐量τ＝R(1-P_out)(1-α)/2，首先要确定系统中断概率P_out与时间分配比例的关系，关系如下：

$P_{out}=1-e^{-X-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_2}^m({{\mathrm{\&sigma;}}_r}^2+{{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2)}{P_s}}$

其中， $X=\frac{-{{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2{d_1}^m+\sqrt{{\left({{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2{d_1}^m\right)}^2+\frac{2{\mathrm{\&gamma;}}_{th}(1-\mathrm{\&alpha;}){d_1}^{2m}{{\mathrm{\&sigma;}}_a}^2{P}_a}{\mathrm{\&alpha;}}}}{2P_a},$ R为源节点固定发送速率，γ_th＝2^2R-1为信噪比门限，为干扰功率大小，为混合点噪声功率，为中继点噪声功率，m为路径损耗指数，d₁为接入点到中继的距离，d₂为源节点到中继的距离，P_a为接入点发送功率，P_s为源节点发送功率；

由此，系统的吞吐量表达为为使系统的吞吐量最大，对τ求关于α的一阶导数，如下：

$\frac{d\mathrm{\&tau;}}{d\mathrm{\&alpha;}}=\frac{R}{2}{e}^{-X=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_2}^m({{\mathrm{\&sigma;}}_r}^2+{{\mathrm{\&sigma;}}_I}^2)}{P_s}}\&lsqb;\frac{(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}{{\mathrm{\&sigma;}}_a}^2}{\sqrt{{\left(2{\mathrm{\&alpha;}}^2{\mathrm{\&sigma;}}_I^2{d_1}^m\right)}^2+8P_a{\mathrm{\&gamma;}}_{th}({\mathrm{\&alpha;}}^3-{\mathrm{\&alpha;}}^4){d_1}^{2m}{{\mathrm{\&sigma;}}_a}^2}}-1\&rsqb;$

注意到，最优时间分配比例满足又由于化简后α^*满足一个多项式，即：

$\begin{array}{c}(4{\mathrm{\&sigma;}}_I^2{d_1}^{2m}-8P_a{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}{\mathrm{\&sigma;}}_a^2){\mathrm{\&alpha;}}^4+8P_a{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}{\mathrm{\&sigma;}}_a^2{\mathrm{\&alpha;}}^3-{\left({\mathrm{\&sigma;}}_a^2{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}\right)}^2{\mathrm{\&alpha;}}^2\\ +2{\left({\mathrm{\&sigma;}}_a^2{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}\right)}^2\mathrm{\&alpha;}-{\left({\mathrm{\&sigma;}}_a^2{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{d_1}^{2m}\right)}^2=0\end{array}$

通过迭代算法，获得最优的时间分配例α^*。

3.根据权利要求2所述的同道干扰下无线充能中继网络最优传输时隙时间分配方法，其特征在于，迭代算法选用牛顿迭代法。