CN106793121A - 一种多用户数据与能量协作传输方法及系统 - Google Patents

一种多用户数据与能量协作传输方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多用户数据与能量协作传输方法及系统，方法包括：建立多个源节点至中继节点以及中继节点至多个目的节点的链路连接关系；计算最大发射功率、中继节点至目的节点链路的发射功率和信噪比；根据信噪比和链路自适应传输机制分别计算源节点至中继节点链路以及中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数；根据计算出的两个QAM调制阶数，来确定中继链路的传输策略，包括可能降低实际发射时链路的QAM调制阶数、在传输空闲期发射能量信号。本发明的采用链路自适应传输的协作通信网络中，能够解决多用户通信场景中的能量与数据协作传输问题，根据计算出的两个调制阶数合理确定中继链路的传输方式，从而实现优化系统通信性能。

Description

一种多用户数据与能量协作传输方法及系统
技术领域
本发明主要涉及无线通信技术领域，具体涉及一种多用户数据与能量协作传输方法及系统。
背景技术
人们对无线网络能量消耗的日益关注以及地球温度的升高促使人们研发能量效率更高的通信技术。从可再生能源如太阳能、风能、热能和射频(radio frequency,RF)能中获得能量的能量收集(energy harvesting,EH)技术可以驱动通信设备和网络，为实现绿色通信展现了光明的前景。
在协作通信网络中，源节点通常是固定的，能够获得稳定的电力供应，中继节点可能是固定的，也可能是移动的，当中继节点是移动节点时，难以获得稳定的电力供应，此时采用EH技术获得中继通信所需的能量是十分必要的，目的节点(例如终端设备)通常情况下是移动的，因此也需要利用EH技术获得能量延长待机时间。目前的研究主要集中在单用户通信场景中，例如分析了在源节点和中继节点之间进行能量和数据传输时的通信性能，提出了具备有限缓冲区的EH中继节点参与协作时的中继选择，研究了两跳EH通信系统中的最优调度和功率分配等；而多用户通信场景中有关能量与数据协作传输的研究成果很少，尚未解决多用户通信场景中的能量与数据协作传输问题。
发明内容
本发明提供一种多用户数据与能量协作传输方法及系统，目的在于在采用链路自适应传输的协作通信网络中，能够解决多用户通信场景中的能量与数据协作传输问题，根据源节点至中继节点链路以及中继节点至目的节点链路的两个调制阶数优化中继链路的传输方式，从而实现优化系统通信性能。本发明将中继节点分为EH类型的节点和电网供电类型的节点，前者收集能量并以所收集的能量作为所需电力的来源，后者将电网供电作为所需电力的来源。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种多用户数据与能量协作传输方法，包括如下步骤：
步骤S1：建立多个源节点至一个中继节点以及该中继节点至多个目的节点的链路连接关系；
步骤S2：根据中继节点的类型计算中继节点的最大发射功率，并根据最大发射功率和注水功率分配算法计算得到中继节点至目的节点链路的发射功率；
步骤S3：根据得到的中继节点至目的节点链路的发射功率计算中继节点至目的节点链路的信噪比；
步骤S4：根据信噪比和链路自适应传输机制分别计算源节点至中继节点链路的QAM调制阶数和中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数；
步骤S5：根据中继节点的类型以及源节点至中继节点链路的QAM调制阶数和中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数，确定中继链路的传输方式，包括调整实际发射时链路的QAM调制阶数和发射能量信号。
本发明的有益效果是：在采用链路自适应传输的协作通信网络中，能够解决多用户通信场景中的能量与数据协作传输问题，根据源节点至中继节点链路以及中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数优化中继协作的传输方式，从而实现优化系统通信性能。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，实现步骤S2的具体方法为，当中继节点为EH类型(energy harvesting，EH能量收集类型)的节点时，设中继节点的最大存储能量为Emax，当i＝1时第i次中继传输可使用的能量为Ei，当i≥2时第i-1次中继传输到第i次中继传输之间中继节点收集的能量为Ei,EH，当i≥2时第i次中继传输可使用的能量为Ei＝min{Ei,EH+Eres,i-1,Emax}，其中Eres,i-1为第i-1次传输后中继节点的剩余能量，计算得到中继节点的最大发射功率为Pi＝min{Pmaxi,，Pmax}，其中Pmaxi,＝Ei/T，Pmax＝Emax/T，T为源节点至中继节点链路传输以及中继节点至目的节点链路传输的时隙长度；当中继节点为电网供电类型的节点时，令Pi＝Ptotal，其中Ptotal为设置的所有中继节点至目的节点链路的总发射功率。设目的节点的数目为L，导频测量得到的第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信道增益为λi,j，根据注水功率分配算法，计算得到第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率为1≤j≤L，μ为满足的值,记即取0和x中的最大值。
采用上述进一步方案的有益效果是：中继节点收集能量，通过能量计算各中继节点至目的节点链路的发射功率。
进一步，实现步骤S3的具体方法为，将得到的第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率与信道增益进行乘积运算来得到第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信噪比：γi,j＝Pi,jλij，其中Pi,j为第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率，λi,j为第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信道增益。第j条中继节点至目的节点链路与第j条源节点至中继节点链路构成从源节点到第j个目的节点的中继链路，中继链路上的传输称为中继传输。
进一步，实现步骤S4的具体方法为，根据第i次中继传输时在中继节点处测量得到的第j条源节点至中继节点链路的信噪比和链路自适应传输机制确定第i次中继传输时第j条源节点至中继节点链路采用的QAM调制阶数为其中为第i次中继传输时第j条源节点至中继节点链路传输数据信号时的频带利用率，根据第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信噪比和链路自适应传输机制确定第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路采用的QAM调制阶数为其中为第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路传输数据信号时的频带利用率。
采用上述进一步方案的有益效果是：求取的调制阶数能够帮助判断信道状况，再利用数据传输空闲期发送能量信号。
进一步，实现步骤S5的具体方法为，当中继节点为EH类型的节点时，设源节点至中继节点链路在时间T内可传输QAM调制阶数为的符号数为设中继节点至目的节点链路在时间T内传输QAM调制阶数为的符号数为源节点至中继节点的链路传输时间用第一时隙表示，中继节点至目的节点的链路传输时间用第二时隙表示，所述第一时隙包括子阶段A1和子阶段A2，其中子阶段A1的时间长度为(1-δ)T，子阶段A2的时间长度为δT且在该时间段内源节点向中继节点发射能量信号，其中δ表示子阶段A2在第一时隙中占用时间的比例，所述第二时隙包括子阶段B1和子阶段B2，子阶段B1的时间长度为(1-τ)T，子阶段B2的时间长度为τT，其中τ表示子阶段B2在第二时隙中占用时间的比例，则子阶段A1传输的符号数为子阶段B1需传输的符号数为子阶段B2的时间长度为即
进一步，当中继节点为EH类型的节点时，所述步骤S5中，还包括当时，子阶段B2用于中继节点发射能量信号到目的节点；当时，T和δ的值的选取应保证当子阶段A1采用系统设置的最大阶QAM调制且子阶段B1采用系统设置的最小阶QAM调制时一次中继传输能够把子阶段A1中发送的数据全部通过中继传输到目的节点,或者降低源节点至中继节点链路的QAM调制阶数的步骤。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用数据传输空闲期向目的节点发送能量信号，提升目的节点的待机时间，对T和δ进行设置，能够把子阶段A1中发送的数据全部通过中继传输到目的节点。
进一步，实现步骤S5的具体方法为，当中继节点为电网供电类型的节点时，设源节点至中继节点链路在时间T内可传输QAM调制阶数为的符号数为中继节点至目的节点链路在时间T内传输QAM调制阶数为的符号数为源节点至中继节点的链路传输时间用第一时隙表示，中继节点至目的节点的链路传输时间用第二时隙表示，所述第二时隙包括子阶段C1和子阶段C2，子阶段C1的时间长度为(1-α)T，子阶段C2的时间长度为αT，其中α表示子阶段C2在第二时隙中占用时间的比例，则子阶段C1需要传输的符号数子阶段C2的时间长度为即
进一步，当中继节点为电网供电类型的节点时，所述步骤S5中，还包括当时，子阶段C2用于中继节点发射能量信号到目的节点，当时，令来降低源节点至中继节点链路的QAM调制阶数的步骤。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用数据传输空闲期向目的节点发送能量信号，提升目的节点的待机时间，降低源节点至中继节点链路传输的调制阶数以满足在时间T内源节点发送到中继节点的数据可以全部通过中继传输到目的节点。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种多用户数据与能量协作传输系统，包括：
链路建立模块，用于建立多个源节点至一个中继节点以及该中继节点至多个目的节点的链路连接关系；
功率计算模块，用于根据中继节点的类型计算中继节点的最大发射功率，并根据最大发射功率和注水功率分配算法计算得到中继节点至目的节点链路的发射功率；
信噪比计算模块，用于根据得到的中继节点至目的节点链路的发射功率计算中继节点至目的节点链路的信噪比；
调制阶数计算模块，用于根据信噪比和链路自适应传输机制分别计算源节点至中继节点链路的QAM调制阶数和中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数；
决策确定模块，用于根据中继节点的类型以及源节点至中继节点链路的QAM调制阶数和中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数，确定中继链路的传输方式；可包括降低实际发射时链路的QAM调制阶数、发射能量信号的决策。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所示功率计算模块中，当中继节点为EH类型的节点时，设中继节点的最大存储能量为Emax，当i＝1时第i次中继传输可使用的能量为Ei，当i≥2时第i-1次中继传输到第i次中继传输之间中继节点收集的能量为Ei,EH，当i≥2时第i次中继传输可使用的能量为Ei＝min{Ei,EH+Eres,i-1,Emax}，其中Eres,i-1为第i-1次传输后中继节点的剩余能量，计算得到中继节点的最大发射功率为Pi＝min{Pmax,i,Pmax}，其中Pmax,i＝Ei/T，Pmax＝Emax/T，T为源节点至中继节点链路传输以及中继节点至目的节点链路传输的时隙长度；当中继节点为电网供电类型的节点时，令Pi＝Ptotal，其中Ptotal为设置的所有中继节点至目的节点链路的总发射功率。设目的节点的数目为L，导频测量得到的第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信道增益为λi,j，根据注水功率分配算法，计算得到第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率为1≤j≤L，μ为满足的值,记即取0和x中的最大值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多用户数据与能量协作传输方法实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的多用户数据与能量协作传输系统实施例的模块框图；
图3为本发明实施例中源节点、中继节点和目的节点的链路连接关系图；
图4为本发明实施例中中继节点为EH类型的节点时的协作传输示意图；
图5为本发明实施例中中继节点为电网供电类型的节点时的协作传输示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明实施例提供的多用户数据与能量协作传输方法实施例的方法流程图；图3为本发明实施例中源节点、中继节点和目的节点的链路连接关系图；
如图1和图3所示，一种多用户数据与能量协作传输方法，包括如下步骤：
步骤S1：建立多个源节点至一个中继节点以及该中继节点至多个目的节点的链路连接关系，形成中继链路传输通道；
步骤S2：根据中继节点的类型计算中继节点的最大发射功率，并根据最大发射功率和注水功率分配算法计算得到中继节点至目的节点链路的发射功率；
步骤S3：根据得到的中继节点至目的节点链路的发射功率计算中继节点至目的节点链路的信噪比；
步骤S4：根据信噪比和链路自适应传输机制分别计算源节点至中继节点链路的QAM调制(Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制)阶数和中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数；
步骤S5：根据中继节点的类型以及源节点至中继节点链路的QAM调制阶数和中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数，确定中继链路的传输方式，调整中继链路在实际发射时的QAM调制阶数、发射能量信号等，从而确定中继链路的传输方式。
上述实施例中，在采用链路自适应传输的协作通信网络中，能够解决多用户通信场景中的能量与数据协作传输问题，根据源节点至中继节点链路以及中继节点至目的节点链路的两个调制阶数优化中继协作的传输方式，从而实现优化系统通信性能。
可选地，作为本发明的一个实施例，实现步骤S2的具体方法为，当中继节点为EH类型的节点时，设中继节点的最大存储能量为Emax，当i＝1时第i次中继传输可使用的能量为Ei，当i≥2时第i-1次中继传输到第i次中继传输之间中继节点收集的能量为Ei,EH，当i≥2时第i次中继传输可使用的能量为Ei＝min{Ei,EH+Eres,i-1,Emax}，其中Eres,i-1为第i-1次传输后中继节点的剩余能量，计算得到中继节点的最大发射功率为Pi＝min{Pmax,i,Pmax}，其中Pmaix,＝Ei/T，Pmax＝Emax/T，T为源节点至中继节点链路传输以及中继节点至目的节点链路传输的时隙长度；当中继节点为电网供电类型的节点时，令Pi＝Ptotal，其中Ptotal为设置的所有中继节点至目的节点链路的总发射功率。设目的节点的数目为L，导频测量得到的第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信道增益为λi,j，根据注水功率分配算法，计算得到第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率为1≤j≤L，μ为满足的值,记即取0和x中的最大值。
上述实施例中，中继节点收集能量，通过能量计算各中继节点至目的节点链路的发射功率。
可选地，作为本发明的一个实施例，实现步骤S3的具体方法为，将得到的第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率与信道增益进行乘积运算来得到第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信噪比：γi,j＝Pi,jλij，其中Pi,j为第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率，λi,j为第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信道增益。
可选地，作为本发明的一个实施例，实现步骤S4的具体方法为，根据第i次中继传输时在中继节点处测量得到的第j条源节点至中继节点链路的信噪比和链路自适应传输机制确定第i次中继传输时第j条源节点至中继节点链路采用的QAM调制阶数为其中为第i次中继传输时第j条源节点至中继节点链路传输数据信号时的频带利用率，根据第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信噪比和链路自适应传输机制确定第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路采用的QAM调制阶数为其中为第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路传输数据信号时的频带利用率。
上述实施例中，求取的调制阶数能够帮助判断信道状况，再利用数据传输空闲期发送能量信号。
图4为本发明实施例中中继节点为EH类型的节点时的协作传输示意图；
如图4所示，可选地，作为本发明的一个实施例，实现步骤S5的具体方法为，当中继节点为EH类型的节点时，设源节点至中继节点链路在时间T内可传输QAM调制阶数为的符号数为设中继节点至目的节点链路在时间T内传输QAM调制阶数为的符号数为源节点至中继节点的链路传输时间用第一时隙表示，中继节点至目的节点的链路传输时间用第二时隙表示，所述第一时隙包括子阶段A1和子阶段A2，其中子阶段A1的时间长度为(1-δ)T，子阶段A2的时间长度为δT且在该时间段内源节点向中继节点发射能量信号，其中δ表示子阶段A2在第一时隙中占用时间的比例，所述第二时隙包括子阶段B1和子阶段B2，子阶段B1的时间长度为(1-τ)T，子阶段B2的时间长度为τT，其中τ表示子阶段B2在第二时隙中占用时间的比例，则子阶段A1传输的符号数为子阶段B1需传输的符号数为子阶段B2的时间长度为即
可选地，作为本发明的一个实施例，当中继节点为EH类型的节点时，所述步骤S5中，还包括当时,子阶段B2用于中继节点发射能量信号到目的节点；当时，T和δ数值的选取按照当子阶段A1选择最大阶QAM调制且子阶段B1选择最小阶QAM调制时一次中继传输能够把子阶段A1中发送的数据全部通过中继传输到目的节点,或者降低源节点至中继节点链路的QAM调制阶数的原则进行选取的步骤。
上述实施例中，利用数据传输空闲期向目的节点发送能量信号，提升目的节点的待机时间，对T和δ进行设置，能够通过一次中继传输把子阶段A1中发送的数据全部通过中继传输到目的节点。
图5为本发明实施例中中继节点为电网供电类型的节点时的协作传输示意图；
如图5所示，可选地，作为本发明的一个实施例，实现步骤S5的具体方法为，当中继节点为电网供电类型的节点时，设源节点至中继节点链路在时间T内可传输QAM调制阶数为的符号数为中继节点至目的节点链路在时间T内传输QAM调制阶数为的符号数为源节点至中继节点的链路传输时间用第一时隙表示，中继节点至目的节点的链路传输时间用第二时隙表示，所述第二时隙包括子阶段C1和子阶段C2，子阶段C1的时间长度为(1-α)T，子阶段C2的时间长度为αT，其中α表示子阶段C2在第二时隙中占用时间的比例，则子阶段C1需要传输的符号数子阶段C2的时间长度为即
可选地，作为本发明的一个实施例，当中继节点为电网供电类型的节点时，所述步骤S5中，还包括当时，子阶段C2用于中继节点发射能量信号到目的节点，当时，令来降低源节点至中继节点链路的QAM调制阶数的步骤。
上述实施例中，利用数据传输空闲期向目的节点发送能量信号，提升目的节点的待机时间，降低源节点至中继节点链路传输的调制阶数能够通过一次中继传输把第一时隙中发送的数据全部通过中继传输到目的节点。
图2为本发明实施例提供的多用户数据与能量协作传输系统实施例的模块框图；
如图2所示，一种多用户数据与能量协作传输系统，包括：
链路建立模块，用于建立多个源节点至一个中继节点以及该中继节点至多个目的节点的链路连接关系，形成中继链路传输通道，所述中继节点收集能量并以所收集的能量作为所需电力的来源；
功率计算模块，用于根据中继节点的类型计算中继节点的最大发射功率，并根据最大发射功率和注水功率分配算法计算得到中继节点至目的节点链路的发射功率；
信噪比计算模块，用于根据得到的中继节点至目的节点链路的发射功率计算中继节点至目的节点链路的信噪比；
调制阶数计算模块，用于根据信噪比和链路自适应传输机制分别计算源节点至中继节点链路的QAM调制阶数和中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数；
决策确定模块，用于根据中继节点的类型以及源节点至中继节点链路的QAM调制阶数和中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数，确定中继链路的传输方式，调整中继链路的实际发射时链路的QAM调制阶数、发射能量信号等，从而确定中继链路的传输策略。
可选地，作为本发明的一个实施例，所示功率计算模块中，当中继节点为EH类型的节点时，设中继节点的最大存储能量为Emax，当i＝1时第i次中继传输可使用的能量为Ei，当i≥2时第i-1次中继传输到第i次中继传输之间中继节点收集的能量为Ei,EH，当i≥2时第i次中继传输可使用的能量为Ei＝min{Ei,EH+Eres,i-1,Emax}，其中Eres,i-1为第i-1次传输后中继节点的剩余能量，计算得到中继节点的最大发射功率为Pi＝min{Pmax,i,Pmax}，其中Pmaix,＝Ei/T，Pmax＝Emax/T，T为源节点至中继节点链路传输以及中继节点至目的节点链路传输的时隙长度；当中继节点为电网供电类型的节点时，令Pi＝Ptotal，其中Ptotal为设置的所有中继节点至目的节点链路的总发射功率。设目的节点的数目为L，导频测量得到的第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信道增益为λi,j，根据注水功率分配算法，计算得到第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率为1≤j≤L，μ为满足的值,记即取0和x中的最大值。
可选地，作为本发明的一个实施例，在信噪比计算模块中，将得到的第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率与信道增益进行乘积运算来得到第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信噪比：γi,j＝Pi,jλij，其中Pi,j为第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率，λi,j为第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信道增益。
可选地，作为本发明的一个实施例，在调制阶数计算模块中，根据第i次中继传输时在中继节点处测量得到的第j条源节点至中继节点链路的信噪比和链路自适应传输机制确定第i次中继传输时第j条源节点至中继节点链路采用的QAM调制阶数为其中为第i次中继传输时第j条源节点至中继节点链路传输数据信号时的频带利用率，根据第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信噪比和链路自适应传输机制确定第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路采用的QAM调制阶数为其中为第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路传输数据信号时的频带利用率。
可选地，作为本发明的一个实施例，决策确定模块中，当中继节点为EH类型的节点时，设源节点至中继节点链路在时间T内可传输QAM调制阶数为的符号数为设中继节点至目的节点链路在时间T内传输QAM调制阶数为的符号数为源节点至中继节点的链路传输时间用第一时隙表示，中继节点至目的节点的链路传输时间用第二时隙表示，所述第一时隙包括子阶段A1和子阶段A2，其中子阶段A1的时间长度为(1-δ)T，子阶段A2的时间长度为δT且在该时间段内源节点向中继节点发射能量信号，其中δ表示子阶段A2在第一时隙中占用时间的比例，所述第二时隙包括子阶段B1和子阶段B2，子阶段B1的时间长度为(1-τ)T，子阶段B2的时间长度为τT，其中τ表示子阶段B2在第二时隙中占用时间的比例，则子阶段A1传输的符号数为子阶段B1需传输的符号数为子阶段B2的时间长度为即
具体的，在该实施例中，决策确定模块中，当时,子阶段B2用于中继节点发射能量信号到目的节点；当时，T和δ数值的选取按照当子阶段A1选择最大阶QAM调制且子阶段B1选择最小阶QAM调制时一次中继传输能够把子阶段A1中发送的数据全部通过中继传输到目的节点,或者降低源节点至中继节点链路的QAM调制阶数的原则进行选取。
可选地，作为本发明的另一个实施例，决策确定模块中，当中继节点为电网供电类型的节点时，设源节点至中继节点链路在时间T内可传输QAM调制阶数为的符号数为中继节点至目的节点链路在时间T内传输QAM调制阶数为的符号数为源节点至中继节点的链路传输时间用第一时隙表示，中继节点至目的节点的链路传输时间用第二时隙表示，所述第二时隙包括子阶段C1和子阶段C2，子阶段C1的时间长度为(1-α)T，子阶段C2的时间长度为αT，其中α表示子阶段C2在第二时隙中占用时间的比例，则子阶段C1需要传输的符号数子阶段C2的时间长度为即
具体的，在该实施例中，决策确定模块中，当时，子阶段C2用于中继节点发射能量信号到目的节点，当时，令来降低源节点至中继节点链路的QAM调制阶数。
本发明的采用链路自适应传输的协作通信网络中，能够解决多用户通信场景中的能量与数据协作传输问题，根据计算出的两个调制阶数合理确定中继链路的传输方式，从而实现优化系统通信性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多用户数据与能量协作传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：建立多个源节点至一个中继节点以及该中继节点至多个目的节点的链路连接关系；
步骤S2：根据中继节点的类型计算中继节点的最大发射功率，并根据最大发射功率和注水功率分配算法计算得到中继节点至目的节点链路的发射功率；
步骤S3：根据得到的中继节点至目的节点链路的发射功率计算中继节点至目的节点链路的信噪比；
步骤S4：根据信噪比和链路自适应传输机制分别计算源节点至中继节点链路的QAM调制阶数和中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数；
步骤S5：根据中继节点的类型以及源节点至中继节点链路的QAM调制阶数和中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数，确定中继链路的传输方式。
2.根据权利要求1所述的多用户数据与能量协作传输方法，其特征在于，实现步骤S2的具体方法为，当中继节点为EH类型的节点时，设中继节点的最大存储能量为Emax，当i＝1时第i次中继传输可使用的能量为Ei，当i≥2时第i-1次中继传输到第i次中继传输之间中继节点收集的能量为Ei,EH，当i≥2时第i次中继传输可使用的能量为Ei＝min{Ei,EH+Eres,i-1,Emax}，其中Eres,i-1为第i-1次传输后中继节点的剩余能量，计算得到中继节点的最大发射功率为Pi＝min{Pmax,i,Pmax}，其中Pmax,i＝Ei/T，Pmax＝Emax/T，T为源节点至中继节点链路传输以及中继节点至目的节点链路传输的时隙长度；当中继节点为电网供电类型的节点时，令Pi＝Ptotal，其中Ptotal为设置的所有中继节点至目的节点链路的总发射功率。设目的节点的数目为L，导频测量得到的第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信道增益为λi,j，根据注水功率分配算法，计算得到第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率为1≤j≤L，μ为满足的值。
3.根据权利要求2所述的多用户数据与能量协作传输方法，其特征在于，实现步骤S3的具体方法为，将得到的第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率与信道增益进行乘积运算来得到第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信噪比：γi,j＝Pi,jλij，其中Pi,j为第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率，λi,j为第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信道增益。
4.根据权利要求1所述的多用户数据与能量协作传输方法，其特征在于，实现步骤S4的具体方法为，根据第i次中继传输时在中继节点处测量得到的第j条源节点至中继节点链路的信噪比和链路自适应传输机制确定第i次中继传输时第j条源节点至中继节点链路采用的QAM调制阶数为其中为第i次中继传输时第j条源节点至中继节点链路传输数据信号时的频带利用率，根据第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信噪比和链路自适应传输机制确定第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路采用的QAM调制阶数为其中为第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路传输数据信号时的频带利用率。
5.根据权利要求4所述的多用户数据与能量协作传输方法，其特征在于，实现步骤S5的具体方法为，当中继节点为EH类型的节点时，设源节点至中继节点链路在时间T内可传输QAM调制阶数为的符号数为设中继节点至目的节点链路在时间T内传输QAM调制阶数为的符号数为源节点至中继节点的链路传输时间用第一时隙表示，中继节点至目的节点的链路传输时间用第二时隙表示，所述第一时隙包括子阶段A1和子阶段A2，其中子阶段A1的时间长度为(1-δ)T，子阶段A2的时间长度为δT且在该时间段内源节点向中继节点发射能量信号，其中δ表示子阶段A2在第一时隙中占用时间的比例，所述第二时隙包括子阶段B1和子阶段B2，子阶段B1的时间长度为(1-τ)T，子阶段B2的时间长度为τT，其中τ表示子阶段B2在第二时隙中占用时间的比例，则子阶段A1传输的符号数为子阶段B1需传输的符号数为子阶段B2的时间长度为即
6.根据权利要求5所述的多用户数据与能量协作传输方法，其特征在于，所述步骤S5中，还包括当时,子阶段B2用于中继节点发射能量信号到目的节点；当时，T和δ数值的选取按照当子阶段A1选择最大阶QAM调制且子阶段B1选择最小阶QAM调制时一次中继传输能够把子阶段A1中发送的数据全部通过中继传输到目的节点,或者降低源节点至中继节点链路的QAM调制阶数的原则进行选取的步骤。
7.根据权利要求4所述的多用户数据与能量协作传输方法，其特征在于，实现步骤S5的具体方法为，当中继节点为电网供电类型的节点时，设源节点至中继节点链路在时间T内可传输QAM调制阶数为的符号数为中继节点至目的节点链路在时间T内传输QAM调制阶数为的符号数为源节点至中继节点的链路传输时间用第一时隙表示，中继节点至目的节点的链路传输时间用第二时隙表示，所述第二时隙包括子阶段C1和子阶段C2，子阶段C1的时间长度为(1-α)T，子阶段C2的时间长度为αT，其中α表示子阶段C2在第二时隙中占用时间的比例，则子阶段C1需要传输的符号数子阶段C2的时间长度为即
8.根据权利要求7所述的多用户数据与能量协作传输方法，其特征在于，所述步骤S5中,还包括当时，子阶段C2用于中继节点发射能量信号到目的节点，当时，令来降低源节点至中继节点链路的QAM调制阶数的步骤。
9.一种多用户数据与能量协作传输系统，其特征在于，包括：
链路建立模块，用于建立多个源节点至一个中继节点以及该中继节点至多个目的节点的链路连接关系；
功率计算模块，用于根据中继节点的类型计算中继节点的最大发射功率，并根据最大发射功率和注水功率分配算法计算得到中继节点至目的节点链路的发射功率；
信噪比计算模块，用于根据得到的中继节点至目的节点链路的发射功率计算中继节点至目的节点链路的信噪比；
调制阶数计算模块，用于根据信噪比和链路自适应传输机制分别计算源节点至中继节点链路的QAM调制阶数和中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数；
决策确定模块，用于根据中继节点的类型以及源节点至中继节点链路的QAM调制阶数和中继节点至目的节点链路的QAM调制阶数，确定中继链路的传输方式。
10.根据权利要求9所述的多用户数据与能量协作传输系统，其特征在于，当中继节点为EH类型的节点时，设中继节点的最大存储能量为Emax，当i＝1时第i次中继传输可使用的能量为Ei，当i≥2时第i-1次中继传输到第i次中继传输之间中继节点收集的能量为Ei,EH，当i≥2时第i次中继传输可使用的能量为Ei＝min{Ei,EH+Eres,i-1,Emax}，其中Eres,i-1为第i-1次传输后中继节点的剩余能量，计算得到中继节点的最大发射功率为Pi＝min{Pmaxi,，Pmax}，其中Pmaxi,＝Ei/T，Pmax＝Emax/T，T为源节点至中继节点链路传输以及中继节点至目的节点链路传输的时隙长度；当中继节点为电网供电类型的节点时，令Pi＝Ptotal，其中Ptotal为设置的所有中继节点至目的节点链路的总发射功率。设目的节点的数目为L，导频测量得到的第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的信道增益为λi,j，根据注水功率分配算法，计算得到第i次中继传输时第j条中继节点至目的节点链路的发射功率为1≤j≤L，μ为满足的值。
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