CN107070529A - 一种携能多天线中继的能量分配优化方法 - Google Patents

一种携能多天线中继的能量分配优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种携能多天线中继的能量分配优化方法,包括以下步骤:根据瞬时信道状态信息计算得到最优能量分配因子;源节点将信息发送给中继节点,中继节点根据最优能量分配因子将能量分成两部分,其中一部分用于解码其接收到的源节点信息并进行预编码,另一部分用于转发预编码后的信息;所述中继节点对将要传输的信息进行预编码,并将预编码后的信息发送给目的节点;所述目的节点接收到来自中继节点所发送的信息,并计算获得信道容量。本发明可以得到在中继节点处能量的最优分配,使系统容量达到最大,同时只需要利用统计信道估计参数以及中继节点处的能量转换效率,在实际无线通信系统中具有较好的应用前景。

Description

一种携能多天线中继的能量分配优化方法
技术领域
本发明涉及一种携能多天线中继的能量分配优化方法,属于无线通信的技术领域。
背景技术
在过去的十几年中,全球移动通信技术发展迅速,无线网络系统必须拥有更大的容量,来满足人们日益增长的无线业务需求。在此背景下,无线中继通信应运而生,其主要思想是通过部署中继器来消除无线网络中的覆盖空洞,提高系统容量。但是,由于无线中继节点位置的随机性以及高移动性,在某些通信场景下很难获得稳定的主电源供给,从而导致了中继器的能量供应难题。为此,能量采集(Energy Harvesting)技术通过从周围环境采集能量,例如太阳能、风能、地热能等,也可以从无线电信号中采集能量,可望解决无线中继的能量供给问题。对于装有能量采集器的无线中继来说,其可以从自身接收到的无线电信号中采集能量,通常也称之为携能无线中继。在能量采集中继网络中,有两种典型的能量采集协议,分别是时隙交换协议(Time-Switching,TS)和功率分割协议(Power-Splitting,PS)。时隙交换协议是指将一个时隙分成两部分,一部分时间用来采集能量,剩下的时间用来发送信息。相比之下,功率分割协议是指将中继接收到的信号能量分成两部分,一部分能量存储下来用来转发信息,另一部分能量用来处理信息。
在传统的通信系统中,用户以及中继通常装置一根天线。现代通信系统则广泛采用多天线技术,通过使用多天线可以获得额外的空间分集增益。但现有的多天线中继中无法在提高能量采集效率的同时,改善无线传输容量,使得中继在能量分配上存在局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提供一种携能多天线中继的能量分配优化方法,解决有的多天线中继中无法在提高能量采集效率的同时,改善无线传输容量,使得中继在能量分配上存在局限性的问题,本发采用了PS协议,通过将能量采集中继的能量进行最优分配,并得到最优能量分配因子,使系统容量达到最大。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题:
一种携能多天线中继的能量分配优化方法,包括以下步骤:
根据瞬时信道状态信息计算得到最优能量分配因子;
源节点将信息发送给中继节点,所述中继节点从接收到的信息中采集能量,及根据最优能量分配因子将采集的能量分成两部分,一部分用于解码接收到的源节点信息并对信息进行预编码,另一部分用于转发预编码后的信息;
所述中继节点利用已分得的能量对将要传输的信息进行预编码,并利用已分得的能量将预编码后的信息发送给目的节点;
所述目的节点接收到来自中继节点所发送的信息,并计算获得信道容量。
进一步地,作为本发明的一种优选技术方案,所述计算得到的最优能量分配因子为:
其中,ρopt为能量分配因子,η为能量转换效率;hj,d表示中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数,j=1,2,…,N;N为中继节点天线数目。
进一步地,作为本发明的一种优选技术方案,所述中继节点对将要传输的信息进行预编码,包括:
获取最优预编码矩阵:
其中,*为共轭运算,w=[w1,w2,…,wN]T,T为转置运算,且||w||2=1,wi表示第i根天线的预编码系数,i=1,2,…,N;H=[h1,d,h2,d,…,hN,d]T,hj,d表示中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数,j=1,2,…,N;N为中继节点天线数目。
进一步地,作为本发明的一种优选技术方案,所述目的节点计算获得源节点到中继节点的信道容量为:
进一步地,作为本发明的一种优选技术方案,所述目的节点计算获得中继节点到目的节点的信道容量为:
进一步地,作为本发明的一种优选技术方案,所述目的节点计算获得源节点到目的节点的信道容量为:
其中,N为中继节点天线数目,N0为中继节点处的噪声功率,hs,i为源节点与中继节点的第i根天线之间的瞬时信道衰落系数,且i=1,2,…,N;hj,d表示中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数,j=1,2,…,N;ρ为能量分配因子,η为能量转换效率,PS为源节点的发射功率。
本发明采用上述技术方案,能产生如下技术效果:
本发明提出的一种携能多天线中继的能量分配优化方法,该方法采用了PS协议,通过将能量采集中继的能量进行最优分配,并得到最优能量分配因子,使系统容量达到最大;可以得到在中继节点处能量的最优分配,同时,计算最优信道容量时,终端只需要利用统计信道估计参数以及中继节点处的能量转换效率,在实际无线通信系统中具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明方法采用系统的模型图。
图2为本发明方法的基本流程图。
图3为能量分配因子和中继节点天线数目对信道容量的影响。
图4为能量分配因子和能量转换效率对信道容量的影响。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1和图2所示,本发明提出一种携能多天线中继的能量分配优化方法,该方法下的系统模型如图1所示,一个一根天线的源节点、一个装备有N根天线的目的节点以及一个装置有能量采集器和N根天线的中继节点。该方法包括以下步骤:
步骤1、根据瞬时信道状态信息计算得到最优能量分配因子;
步骤2、在当前时刻t,源节点在时隙T时间内将信息发送给中继节点,中继节点接收到信号并从接收到的信号中采集能量,根据最优能量分配因子将采集的能量分成两部分,其中一部分用于解码其接收到的源节点信息,且另一部分用于转发解码信息,即一部分用来转发信息,剩下的能量用来处理信息。
然后,所述中继节点利用已分得的能量对将要传输的信息进行预编码,并利用利用已分得的能量将预编码后的信息发送给目的节点。所述中继节点对将要传输的信息进行预编码的具体过程为:
给定源节点发射功率与噪声功率的比值
根据已知的信道转移矩阵H=[h1,d,h2,d,…,hN,d]T,其中T为转置运算,hj,d为中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数,j=1,2,…,N,N为中继节点天线数目;中继节点对信号进行预编码,假定中继节点预编码矩阵为w=[w1,w2,…,wN]T,其中T为转置运算,wi为中继节点的第i根天线的预编码系数,i=1,2,…,N,N为中继节点天线数目,且||w||2=1,为了最大化中继到目的节点之间的信噪比,可获取最优预编码矩阵其中*为共轭运算。
以及,计算能量分配因子,使得源节点到目的节点的信道容量最大,可得最优能量分配因子为:
所述最优预编码矩阵W的计算过程为:源节点先将信息传输给中继节点,中继节点采集到的用于转发信息的能量为其中,ρ为能量分配因子,η为能量转换效率,PS为源节点的发射功率,T为一个时隙,hs,i为源节点与中继节点的第i根天线之间的瞬时信道衰落系数,i=1,2,…,N;则中继节点下一时隙的传输功率为目的节点接收到的信号为:
其中nd为目的节点处的噪声,则目的节点接收到的瞬时信噪比为:
根据柯西—施瓦兹不等式有:
当且仅当时,信噪比最大,此时信噪比可以表示成:
信道容量计算过程:中继节点接收到的信号为:
其中nr表示中继节点处的噪声。
则中继节点处接收到的瞬时信噪比为:
目的节点接收到的瞬时信噪比为:
则整个系统的信噪比为:
则该中继系统的信道容量为:
最优能量分配因子ρ的计算过程:本发明是在使信道容量最大的情况下求出最优能量分配因子,即:
等价于:
上式可以简化成:
其中0≤ρ≤1。经过对上式中两个数的大小进行讨论得到:
可以求得最优能量分配因子为:
步骤3、所述目的节点接收到来自中继节点所发送的信息,并计算获得信道容量,所述信道容量包括源节点到中继节点的信道容量、中继节点到目的节点的信道容量、源节点到目的节点的信道容量。
所述源节点到中继节点的信道容量为:
所述中继节点到目的节点的信道容量为:
所述源节点到目的节点的信道容量为:
上述公式中,N为中继节点天线数目,N0为中继节点处的噪声功率,hs,i为源节点与中继节点的第i根天线之间的瞬时信道衰落系数,且i=1,2,…,N;hj,d为中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数j=1,2,…,N;ρ为能量分配因子,η为能量转换效率,PS为源节点的发射功率。
步骤4、当t>T时,传输结束进入下一个时隙T,重新执行步骤2至3。
本发明的方法,通过将能量采集中继的能量进行最优分配,并得到最优能量分配因子,使系统容量达到最大。本发明给出信道容量与能量分配因子关系的对比图,如图3和图4所示。
图3表示在中继节点具有不同天线数目的情况下,信道容量与能量分配因子关系图,图中ρopt表示最优能量分配因子的理论值,其中能量转换效率η取0.8。由图可以看出,随着中继配备的天线数目的增加,信道容量也会增加,且最优能量分配因子逐渐减小。
图4为中继节点天线数目取为定值4时,在不同能量转换效率的情况下,信道容量与能量分配因子的关系,图中ρopt表示最优能量分配因子的理论值,其中天线数目N取4。由图4可以看出,随着能量转换效率的提高,信道容量也会增加,且最优能量分配因子也逐渐减小。
综上,本发明的方法可以得到在中继节点处能量的最优分配,同时,计算最优信道容量时,终端只需要利用统计信道估计参数以及中继节点处的能量转换效率,在实际无线通信系统中具有较好的应用前景。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种携能多天线中继的能量分配优化方法,其特征在于,包括以下步骤:
根据瞬时信道状态信息计算得到最优能量分配因子;
源节点将信息发送给中继节点,所述中继节点从接收到的信息中采集能量,及根据最优能量分配因子将采集的能量分成两部分:一部分用于解码接收到的源节点信息并对信息进行预编码,另一部分用于转发预编码后的信息;
所述中继节点利用已分得的能量对将要传输的信息进行预编码,并利用已分得的能量将预编码后的信息发送给目的节点;
所述目的节点接收到来自中继节点所发送的信息,并计算获得信道容量。
2.根据权利要求1所述携能多天线中继的能量分配优化方法,其特征在于,所述计算得到的最优能量分配因子为:
<mrow> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>&amp;eta;</mi> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mo>|</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>,</mo> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中,ρopt为能量分配因子,η为能量转换效率;hj,d表示中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数,j=1,2,…,N;N为中继节点天线数目。
3.根据权利要求1所述携能多天线中继的能量分配优化方法,其特征在于,所述中继节点对将要传输的信息进行预编码,包括:
获取最优预编码矩阵:
其中,*为共轭运算,w=[w1,w2,…,wN]T,T为转置运算,且||w||2=1,wi表示第i根天线的预编码系数,i=1,2,…,N;H=[h1,d,h2,d,…,hN,d]T,hj,d表示中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数,j=1,2,…,N;N为中继节点天线数目。
4.根据权利要求1所述携能多天线中继的能量分配优化方法,其特征在于,所述目的节点计算获得源节点到中继节点的信道容量为:
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>)</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>S</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mo>|</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中,N为中继节点天线数目,N0为中继节点处的噪声功率,hs,i为源节点与中继节点的第i根天线之间的瞬时信道衰落系数,且i=1,2,…,N;ρ为能量分配因子,PS为源节点的发射功率。
5.根据权利要求1所述携能多天线中继的能量分配优化方法,其特征在于,所述目的节点计算获得中继节点到目的节点的信道容量为:
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mo>,</mo> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;rho;&amp;eta;P</mi> <mi>S</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mo>|</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mo>|</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>,</mo> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中,N为中继节点天线数目,N0为中继节点处的噪声功率,hs,i为源节点与中继节点的第i根天线之间的瞬时信道衰落系数,且i=1,2,…,N;hj,d表示中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数,j=1,2,…,N;ρ为能量分配因子,η为能量转换效率,PS为源节点的发射功率。
6.根据权利要求1所述携能多天线中继的能量分配优化方法,其特征在于,所述目的节点计算获得源节点到目的节点的信道容量为:
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>min</mi> <mo>{</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>)</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>S</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mo>|</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>,</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;rho;&amp;eta;P</mi> <mi>S</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mo>|</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mo>|</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>,</mo> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>}</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中,N为中继节点天线数目,N0为中继节点处的噪声功率,hs,i为源节点与中继节点的第i根天线之间的瞬时信道衰落系数,且i=1,2,…,N;hj,d表示中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数,j=1,2,…,N;ρ为能量分配因子,η为能量转换效率,PS为源节点的发射功率。
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