CN107332602A - 能量受限条件下的全双工中继能量自回收通信方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收通信方法及系统，属于无线通信技术领域。每一个时隙被划分为两个子时隙，第一子时隙为信息发送阶段，信源产生信息信号并发送给中继，各中继尝试解码该信号。第二子时隙为同步信息转发与能量收集阶段，系统从上一阶段成功解码的中继中选取一个最优的中继将解码的信号转发给信宿；同时信源向中继发送能量信号，各中继接收信源发送的能量信号以及最优中继转发的信号并转化为能量，实现全双工中继的同步信息转发与能量收集。其中，两个子时隙时长由预设时间分割策略确定。通过这种方式，可以平衡两个子时隙下中继和信宿成功解码的概率，达到降低系统中断概率、提升系统能量效率的目的。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收通信方法及系统。
背景技术
协作中继技术可以有效扩大无线通信系统覆盖范围，增强系统鲁棒性。而全双工中继技术由于能够显著提高传统半双工中继系统的频谱效率，成为下一代无线通信系统关键技术之一。传统地，能量受限条件下的全双工中继系统可操作寿命是有限的，需要经常性地更换电池或充电来维护系统的持续性和连通性，极大增加了系统设计的复杂度。此外，全双工中继的自干扰信号也会导致额外的能量消耗。考虑到射频信号在合适的条件下可以有效地传递能量，研究者们针对全双工中继系统提出了基于能量收集以及无线信息和能量同传技术，用于实现全双工中继系统的自能量回收，从而显著提升能量受限系统的能量效率。
不失一般性，全双工中继通常部署两根天线，一根天线用于接收信息信号或者能量信号，另一根天线用于向信宿转发信息信号。每个时隙通常被分为两子时隙：第一子时隙是信息发送阶段，信源向中继发送能量信号；第二子时隙是同步信息转发与能量收集阶段，中继向信宿转发第一子时隙成功解码的信息信号，同时信源向中继发送能量信号。中继接收信源发送的能量信号以及中继转发的信号并将接收的信号转化为能量，实现能量自回收。
但是目前的能量受限条件下的全双工中继系统中，虽然实现了无线信息和能量的同传，但是仅考虑了全双工单中继的场景，并且没有考虑到通过合理分割两个子时隙的时长来实现能量和信息的动态平衡，导致系统中断概率较高，因此无法获得较优的系统能效。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供了一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收通信方法及系统，通过合理地分割两个子时隙的时间长度，解决能量受限条件下全双工中继系统能效较低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收通信方法，包括：
S1、在时隙t＝1，信源S产生能量信号xE(t)并以功率PS将xE(t)发送给各中继{Ri|1≤i≤N}，各中继接收信源S发送的能量信号xE(t)并将接收的信号转化为能量，N表示中继数量；
S2、在时隙t+1的第一子时隙，信源S产生信息信号xI(t+1)并以功率PS将xI(t+1)发送给各中继{Ri|1≤i≤N}，各中继对信源S发送的信息信号xI(t+1)进行接收并尝试解码，若至少存在一个中继能够成功解码，则执行步骤S3，否则执行步骤S4，其中，所述第一子时隙的时长由预设时间分割策略确定；
S3、在时隙t+1的第二子时隙，在成功解码xI(t+1)的中继中选取中继-信宿信道质量最优的中继Rb，b∈{1,2,,N}，Rb将成功解码的信号xI(t+1)以功率PR发送给信宿D，同时，信源S产生新的能量信号xE(t+1)并以功率PS将xE(t+1)发送给各中继{Ri|1≤i≤N}，各中继接收信源S发送的新的能量信号xE(t+1)以及最优中继Rb转发的信号并将接收的信号转化为能量，并执行步骤S5，其中，所述第二子时隙的时长由所述预设时间分割策略确定，最优中继Rb的发射功率PR由上一时隙收集到的能量确定；
S4、在时隙t+1的第二子时隙，信源S产生新的能量信号xE(t+1)并以功率PS将xE(t+1)发送给各中继{Ri|1≤i≤N}，各中继接收信源S发送的新的能量信号xE(t+1)并将接收的信号转化为能量，并执行步骤S5，其中，所述第二子时隙的时长由所述预设时间分割策略确定；
S5、判断传输过程是否完成，若完成，则结束该传输过程；否则，返回步骤S2进行下一时隙的信号传输。
优选地，所述第一子时隙的时长由预设时间分割策略确定以及所述第二子时隙的时长由所述预设时间分割策略确定，包括：
对于每个时隙，将所述第一子时隙的时长T1设定为T1＝αT，所述第二子时隙的时长T2设定为T2＝(1-α)T，其中，T为每一时隙的总时长，α为预设时间分割系数。
优选地，所述α值的确定方法为：
由求取使得系统的能量效率EE达到最优时对应的α值作为目标α值；
其中，PR(t)表示当前时隙t的最优中继Rb的发射功率，PR(t-1)表示上一时隙t-1的最优中继Rb'的发射功率；η1表示信源S至当前时隙最优中继Rb链路的能量转化效率，η2表示上一时隙最优中继Rb'至当前时隙最优中继Rb链路的能量转化效率，表示信源S至当前时隙最优中继Rb的信道系数，表示上一时隙最优中继Rb'至当前时隙最优中继Rb的信道系数，Pout1表示第一子时隙中继解码失败的概率。
优选地，所述系统的能量效率EE的求取方法为：
对于任一时隙t在第一子时隙中继解码失败的概率Pout1和第二子时隙信宿解码失败的概率Pout2为： 其中，表示信源S至中继Ri的信道系数，表示最优中继Rb至信宿D的信道系数，σ2为接收端的加性高斯白噪声的噪声功率，PR表示最优中继的发射功率，RT表示信源S信号的额定数据传输速率；
由Pout1和Pout2得到系统总体的平均中断概率Pout：Pout＝1-(1-Pout1)(1-Pout2)；
由系统总体的平均中断概率Pout得到系统的能量效率EE：其中，EE表示消耗单位能量能够成功传输的数据量。
优选地，Pout1、Pout2的求取分别根据全双工各中继节点Ri在时隙t的第一子时隙接收到的信息信号以及信宿D在时隙t的第二子时隙接收到的信息信号yD(t)求得，其中：
其中，表示信源S至中继Ri的信道系数，表示中继Ri处的加性高斯白噪声，nD(t)表示信宿D处的加性高斯白噪声。
优选地，中继Ri在时隙t的第二子时隙接收到能量信号为
其中，公式(1)表示在至少存在一个中继能够成功解码信息xI(t)时中继接收能量信号的情况，公式(2)表示没有中继能够成功解码信息xI(t)时中继接收能量信号的情况，表示当前时隙最优中继Rb至任一中继Ri的信道系数；
在时隙t的最优中继的发射功率为：
按照本发明的另一方面，提供了一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收系统，包括：信源S、信宿D和N个能量受限的全双工中继节点{Ri|1≤i≤N}，N≥1；
中继{Ri|1≤i≤N}部署在信源S和信宿D之间为信息信号的传输提供转发，中继Ri通过对射频信号进行收集和转化来获取电能，中继Ri配置两根天线，一根天线用于接收信息或者能量信号，另一根天线用于转发成功解码的信息信号，其中，所述射频信号来自信源S或中继{Ri|1≤i≤N}；
所述能量受限条件下的全双工中继能量自回收系统用于执行本发明实施例提供的任意一项所述的方法。
总体而言，本发明方法与现有技术方案相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提出的一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收通信方法，能够将传统全双工中继系统中的自干扰信号以及中继间干扰信号收集并转化为能量，提升了系统的通信质量和能量效率。
(2)进一步地，本发明提出的一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收方法，通过时间分割系数的动态调整，自适应分配两个子时隙的时间长度，优化两个子时隙下中继及信宿成功解码的概率，从而通过降低系统中断概率来提升系统能效。
(3)本发明提出的一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收通信方法及系统可以通过无线能量传输技术为中继节点集能，可以有效解决中继节点自身电池容量的问题，使得中继节点可以部署在一些不方便接入电网的区域，充分发挥协作中继转发技术的潜力。
附图说明
图1为本发明实施例公开的一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收系统的模型示意图；
图2为本发明实施例公开的一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收通信方法的流程示意图；
图3为本发明实施例公开的一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收方法下的时间分割系数α对系统能效的影响图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收通信方法及系统，通过时间分割的方法实现全双工中继同步信息与能量传输。具体地，一个时隙被划分为两个子时隙，第一子时隙为信息发送阶段，信源产生信息信号并发送该信号给各中继，各个中继尝试解码该信号。第二子时隙为同步信息转发与能量收集阶段，系统从上一阶段成功解码的中继中选取一个最优的中继节点将成功解码的信号转发给信宿。同时，信源向中继发送能量信号，中继接收信源发送的能量信号以及最优中继转发的信号并将接收的信号转化为能量。因此，中继可以将传统系统里转发解码信息而产生的环路自干扰或中继间的干扰作为能量信号进行收集。
此外，一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收通信方法里包含了一种能量自回收方法，具体表现为如何分割两子时隙的时间长度。一方面，由于每个时隙被分割成两个子时隙，而信源S信号的额定数据传输速率RT在传输过程中是固定的，因此由公式 可以看出两个子时隙时长的分割会对中继、信宿是否能够成功解码信息信号产生重要的影响。当α过小，会导致第一子时隙中继解码失败的概率增大；而当α过大，会导致第二子时隙信宿解码失败的概率增大，即两个子时隙成功解码概率之间存在相互制约。另一方面，由于中继收集能量信号和转发成功解码的信号都是作用在第二子时隙，且中继转发成功解码的信号的能量完全来自上一时隙中继收集到的能量，因此中继在时隙t转发成功解码信号的发射功率PR表示为因此虽然直观上两子时隙时长的分割对中继发射功率的取值没有影响，但是由于子时隙时长的分割会影响第一子时隙中继解码失败的概率Pout1，因此会间接影响到中继的发射功率，从而影响到第二子时隙信宿成功解码的概率。因此，在整个通信过程中，对两子时隙的分割显得尤为重要，通过对两子时隙时间长度进行合理地分割，可以平衡两子时隙成功解码的概率，进而降低系统的中断概率，提升系统能效。
如图1所示，信源S、信宿D和N个能量受限的全双工中继节点{Ri|1≤i≤N}，N≥1。中继{Ri|1≤i≤N}部署在信源S和信宿D之间为信息信号的传输提供转发，中继Ri通过对射频信号进行收集和转化来获取电能，中继Ri配置两根天线，一根天线用于接收信息或者能量信号，另一根天线用于转发成功解码的信息信号，其中，所述射频信号来自信源S或中继{Ri|1≤i≤N}；
时隙t的第一子时隙为信息发送阶段：信源S产生信息信号xI(t)并以功率PS发送该信号给中继{Ri|1≤i≤N}，N≥1，各个中继尝试解码信号xI(t)。
时隙t的第二子时隙为同步信息转发与能量收集阶段：从第一子时隙成功解码的中继中选取一个最优的中继节点Rb，Rb将成功解码的信号xI(t)以功率PR转发给信宿D，所述转发的信号xI(t)可以作为能量信号为各中继{Ri|1≤i≤N}集能。与此同时，信源S产生能量信号xE(t)并以功率PS发送该信号给中继{Ri|1≤i≤N}。其中，时隙t的最优中继的发射功率PR由t-1时隙收集的能量确定。
该系统通过同步信息转发与能量收集，可以将中继自干扰信号或中继间的干扰信号转化为能量信号，实现能量自回收，能够提升系统能效、增强系统通信性能。
如图2所示，本发明的通信方法包括：
S1、在时隙t＝1，信源S产生能量信号xE(t)并以功率PS将xE(t)发送给各中继{Ri|1≤i≤N}，各中继接收信源S发送的能量信号xE(t)并将接收的信号转化为能量，N表示中继数量；
在后面每个时隙，第一个子时隙是信息发送阶段，第二个子时隙是同步信息转发与能量收集阶段。即系统每一时隙中继转发信息的能量都来自上一时隙中继收集的能量，因此该时隙能量信号xE(t)用来为中继提供初始能量。
S2、在时隙t'＝t+1的第一子时隙，信源S产生信息信号xI(t')并以功率PS将xI(t')发送给各中继{Ri|1≤i≤N}，各中继对信源发送的信息信号xI(t')进行接收并尝试解码。若中继{Ri|1≤i≤N}中至少存在一个中继能够成功解码，则执行步骤S3，否则执行步骤S4。其中，所述第一子时隙时长由预设时间分割策略确定，T1＝αT，T为每一时隙的总时长；
在该子时隙，中继Ri接收到信息信号表示为其中，表示信源S至中继Ri的信道系数。表示中继Ri处的加性高斯白噪声。
第一子时隙中继解码失败的概率Pout1可以表示为
其中，RT表示所述信源S信号的额定数据传输速率。
S3、在时隙t'＝t+1的第二子时隙，在成功解码xI(t')的中继中选取中继-信宿信道质量最优的中继Rb，b∈{1,2,,N}。Rb将成功解码的信号xI(t')以功率PR发送给信宿D。与此同时，信源S产生新的能量信号xE(t')并以功率PS将xE(t')发送给各中继{Ri|1≤i≤N}，各中继接收信源S发送的新的能量信号以及最优中继Rb转发的信号并将接收的信号转化为能量，执行步骤S5。其中，第二子时隙时长由预设时间分割策略确定，T2＝(1-α)T；最优中继的发射功率PR由上一时隙收集到的能量确定。
在该子时隙，中继Ri接收到能量信号表示为信宿D接收到信息信号表示为其中，表示当前时隙最优中继Rb至任一中继Ri的信道系数，表示当前时隙最优中继Rb至信宿D的信道系数。nD(t')表示信宿D处的加性高斯白噪声。PR(t')表示时隙t'下最优中继的发射功率。
在时隙t'的最优中继的发射功率为：
第二子时隙信宿解码失败的概率Pout2可以表示为其中，RT表示所述信源S信号的额定数据传输速率。
S4、在时隙t'＝t+1的第二子时隙，信源S产生新的能量信号xE(t')并以功率PS将xE(t')发送给中继{Ri|1≤i≤N}，各中继接收信源S发送的新的能量信号并将接收的信号转化为能量，执行步骤S5。其中，所述第二子时隙时长由所述时间分割策略确定，T2＝(1-α)T；
在该子时隙，中继Ri接收到能量信号表示为
S5、判断传输过程是否完成，若完成，则结束该传输过程；否则，返回步骤S2。
如图3所示，时间分割系数α过小或过大，都会降低系统的能效。这是因为当α过小时，系统分配给第一子时隙的时长远远小于第二子时隙的时长，会导致第一子时隙中继解码信息信号失败的概率Pout1过高。虽然理论上第二子时隙时长的增加会大幅降低该子时隙信宿解码信息信号失败的概率Pout2，但是由于Pout1的增大会间接导致第二子时隙中继发射功率PR降低，导致第二子时隙信宿解码信息信号失败的概率Pout2降低并不明显，从而导致系统的中断概率升高；当α过大时，系统分配给第一子时隙的时长远远大于第二子时隙的时长，虽然第一子时隙中继解码信息信号失败的概率Pout1会大幅降低，第二子时隙中继转发信息信号的发射功率也会有所增加，但是由于系统要在第二子时隙T2＝(1-α)T的时长内达到额定数据传输速率RT，因此信宿解码信息信号失败的概率Pout2会大幅增加，从而导致系统的中断概率升高。同时，适当增加中继的个数，系统能效会有显著提升，且中继数目会对时间分割系数α的最优值产生影响。中继数目增多时，最优时间分割系数会略有减小，这是因为中继数目增加，会降低中继在第一子时隙的解码失败的概率，因此，可以适当减小α的值，通过增大第二子时隙时长来降低信宿解码信息信号失败的概率，从而达到提升系统能效的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收通信方法，其特征在于，包括：
S1、在时隙t＝1，信源S产生能量信号xE(t)并以功率PS将xE(t)发送给各中继{Ri|1≤i≤N}，各中继接收信源S发送的能量信号xE(t)并将接收的信号转化为能量，N表示中继数量；
S2、在时隙t+1的第一子时隙，信源S产生信息信号xI(t+1)并以功率PS将xI(t+1)发送给各中继{Ri|1≤i≤N}，各中继对信源S发送的信息信号xI(t+1)进行接收并尝试解码，若至少存在一个中继能够成功解码，则执行步骤S3，否则执行步骤S4，其中，所述第一子时隙的时长由预设时间分割策略确定；
S3、在时隙t+1的第二子时隙，在成功解码xI(t+1)的中继中选取中继-信宿信道质量最优的中继Rb，b∈{1,2,…,N}，Rb将成功解码的信号xI(t+1)以功率PR发送给信宿D，同时，信源S产生新的能量信号xE(t+1)并以功率PS将xE(t+1)发送给各中继{Ri|1≤i≤N}，各中继接收信源S发送的新的能量信号xE(t+1)以及最优中继Rb转发的信号并将接收的信号转化为能量，并执行步骤S5，其中，所述第二子时隙的时长由所述预设时间分割策略确定，最优中继Rb的发射功率PR由上一时隙收集到的能量确定；
S4、在时隙t+1的第二子时隙，信源S产生新的能量信号xE(t+1)并以功率PS将xE(t+1)发送给各中继{Ri|1≤i≤N}，各中继接收信源S发送的新的能量信号xE(t+1)并将接收的信号转化为能量，并执行步骤S5，其中，所述第二子时隙的时长由所述预设时间分割策略确定；
S5、判断传输过程是否完成，若完成，则结束该传输过程；否则，返回步骤S2进行下一时隙的信号传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一子时隙的时长由预设时间分割策略确定以及所述第二子时隙的时长由所述预设时间分割策略确定，包括：
对于每个时隙，将所述第一子时隙的时长T1设定为T1＝αT，所述第二子时隙的时长T2设定为T2＝(1-α)T，其中，T为每一时隙的总时长，α为预设时间分割系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述α值的确定方法为：
由求取使得系统的能量效率EE达到最优时对应的α值作为目标α值；
其中，PR(t)表示当前时隙t的最优中继Rb的发射功率，PR(t-1)表示上一时隙t-1的最优中继Rb'的发射功率；η1表示信源S至当前时隙最优中继Rb链路的能量转化效率，η2表示上一时隙最优中继Rb'至当前时隙最优中继Rb链路的能量转化效率，表示信源S至当前时隙最优中继Rb的信道系数，表示上一时隙最优中继Rb'至当前时隙最优中继Rb的信道系数，Pout1表示第一子时隙中继解码失败的概率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述系统的能量效率EE的求取方法为：
对于任一时隙t在第一子时隙中继解码失败的概率Pout1和第二子时隙信宿解码失败的概率Pout2为： 其中，表示信源S至中继Ri的信道系数，表示最优中继Rb至信宿D的信道系数，σ2为接收端的加性高斯白噪声的噪声功率，PR表示最优中继的发射功率，RT表示信源S信号的额定数据传输速率；
由Pout1和Pout2得到系统总体的平均中断概率Pout：Pout＝1-(1-Pout1)(1-Pout2)；
由系统总体的平均中断概率Pout得到系统的能量效率EE：其中，EE表示消耗单位能量能够成功传输的数据量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，Pout1、Pout2的求取分别根据全双工各中继节点Ri在时隙t的第一子时隙接收到的信息信号以及信宿D在时隙t的第二子时隙接收到的信息信号yD(t)求得，其中：
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其中，表示信源S至中继Ri的信道系数，表示中继Ri处的加性高斯白噪声，nD(t)表示信宿D处的加性高斯白噪声。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，中继Ri在时隙t的第二子时隙接收到能量信号为：
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其中，公式(1)表示至少存在一个中继能够成功解码信息信号xI(t)时中继接收能量信号的情况，公式(2)表示没有中继能够成功解码信息信号xI(t)时中继接收能量信号的情况，表示当前时隙最优中继Rb至任一中继Ri的信道系数；
在时隙t的最优中继的发射功率为：
7.一种能量受限条件下的全双工中继能量自回收系统，其特征在于，包括：信源S、信宿D和N个能量受限的全双工中继节点{Ri|1≤i≤N}，N≥1；
中继{Ri|1≤i≤N}部署在信源S和信宿D之间为信息信号的传输提供转发，中继Ri通过对射频信号进行收集和转化来获取电能，中继Ri配置两根天线，一根天线用于接收信息信号或者能量信号，另一根天线用于转发成功解码的信息信号，其中，所述射频信号来自信源S或中继{Ri|1≤i≤N}；
所述能量受限条件下的全双工中继能量自回收系统用于执行如权利要求1至6任意一项所述的方法。
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