CN107612604A - 一种基于ofdm中继解码转发的无线携能通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于OFDM中继解码转发的无线携能通信方法，在该方法中，源节点广播信号给中继节点和目的节点，中继节点用一部分子载波进行信息解码，用剩余部分子载波进行能量收集，中继节点利用收集到的能量中继转发信息给目的节点。中继节点只需要知道哪些子载波用于信息接收，哪些子载波进行能量接收，即中继节点只要知道用于信息接收和能量接收的子载波序号，不需要增加分配器。本发明有效降低了设备的设计复杂度，且通过中继节点的解码转发协作，有效提高了能量收集效率和频谱利用率，大大改善了无线传感器网络的系统性能。

Description

一种基于OFDM中继解码转发的无线携能通信方法

技术领域

本发明属于无线传感器通信领域中的无线携能通信技术领域，尤其是一种携能通信方法。

背景技术

无线传感器网络以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点广泛应用于各个领域，传统的无线传感器网络采用储能有限的电池进行供电，无法长时间工作。所以能量收集技术应运而生，该技术能够从周围环境中收集能量，可以有效延长无线传感器网络的寿命。无线携能通信技术是无线信息传输技术和能量收集技术相结合的产物，通过接收周围环境中的射频信号，在获取信息的同时可以收集能量，不仅实现了高效可靠信息通信，而且充分利用了宝贵的能量资源。

现有的无线携能通信技术主要基于两种方法：功率分配方法和时间转换方法。在功率分配方法中，接收端利用一部分接收到的功率进行信息解码，利用剩余的功率进行能量接收。在时间转换方法中，接收端在一个时隙中利用全部接收到的功率进行信息解码、另一个时隙进行能量接收。这两种方法中，接收端需要增加一个分配器来进行信息解码和能量接收，为无线携能通信技术增加了设计复杂度和成本，且能量收集效率和频谱利用率较低。

发明内容

为了克服现有无线传感器网络中无线携能通信方法接收端设计复杂度高、能量收集效率和频谱利用率较低的问题，为了提高能量收集效率和频谱利用率，本发明提供一种有效降低传感器接收端设计复杂度且提高效率的基于OFDM中继解码转发的无线携能通信方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于OFDM中继解码转发的无线携能通信方法，无线携能通信系统由一个源节点S，一个目的节点D和一个中继节点R组成，S→R链路和R→D链路的整个带宽都被分成K个子载波，传输时间分为两个均等时隙，所述无线传感器网络中基于OFDM中继解码转发的的无线携能通信方法包括以下步骤：

1)源节点广播信号给中继节点和目的节点，中继节点用一部分子载波进行信息解码，用剩余部分子载波进行能量收集；

2)中继节点利用收集到的能量中继转发信息给目的节点；

中继节点的子载波和功率联合分配问题建模为：

满足以下条件

其中，p₁＝{p_k,q_k}，p₂＝{p_k'}，和分别表示用于接收信息和收集能量的子载波集合，p_k和q_k分别表示子载波k在S→R链路上用于接收信息和收集能量的功率，p_k'表示子载波k'在R→D链路上用于接收信息的功率，R表示目的节点经过两个时隙传输后获得的速率，R₁和R₂分别表示第一时隙中继节点接收到来自源节点的速率和第二时隙目的节点接收到来自中继节点的速率，P表示源节点总发射功率，h_k表示子载波k在S→R链路上的信道增益，表示子载波k在中继节点上接收源节点信号的信道噪声方差；

通过拉格朗日对偶分解方法获得上述的最优子载波和功率分配：

其中，β₁，β₂，β₃和β₄表示拉格朗日乘子，P_max和P_min表示在每个子载波k上的最大和最小功率限制，g_k'表示子载波k'在R→D链路上的信道增益，表示子载波k'在目的节点上接收中继点信号的信道噪声方差，

进一步，所述步骤1)中，中继节点接收到来自源节点的速率表示为：

中继节点接收到的能量表示为：

其中ζ表示能量转换效率。

再进一步，所述步骤2)中，目的节点接收到来自中继节点的速率可以表示为

目的节点经过两个时隙传输后获得的速率表示为：

R＝min(R₁,R₂) (11)。

本发明的技术构思为：现有无线传感器网络中的无线携能通信方法都需要在接收端额外增加分配器来进行信息解码和能量接收，因此增加了传感器接收端的设计复杂度且能量收集效率和频谱利用率低。本专利方法中接收端分别使用不同的子载波进行信息接收和能量收集，接收端不再需要增加分配器，能够有效降低接收端的设计复杂度。利用中继节点的解码转发协作中继技术进一步提高了无线传感器网络的能量收集效率和频谱利用率。

本发明的有益效果主要表现在：传感器接收端不需要增加分离器，降低了接收端的设计复杂度，通过中继节点的解码转发协作最大化利用有限资源。

附图说明

图1是本发明方法的基于OFDM解码转发协作的无线携能通信方法系统模型示意图，其中S为源节点，R为中继节点，D为目的节点；

图2是本发明方法的不同的发送总功率下用于接收信息和能量的功率与子载波的比例变化图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种基于OFDM解码转发协作的无线携能通信方法，是基于现有的无线传感器通信系统实现的，所述无线携能通信系统由源节点S、中继节点R和目的节点D组成，S→R链路和R→D链路的整个带宽都被分成K个子载波，整个传输时间被分成两个均等的时隙。

本实施方式的方法中，源节点广播信号给中继节点和目的节点，中继节点用一部分子载波进行信息解码，用剩余部分子载波进行能量收集；中继节点利用收集到的能量中继转发信息给目的节点。

本实施方式中中继节点接收到来自源节点的速率R₁和收集到的能量Q可以通过以下方法获得：

其中，ζ表示接收端的能量转换率，和分别表示用于接收信息和收集能量的子载波集合，p_k和q_k分别表示子载波k在S→R链路上用于接收信息和收集能量的功率，h_k表示子载波k在S→R链路上的信道增益，表示子载波k在中继节点上接收源节点信号的信道噪声方差。

目的节点接收到来自中继节点的速率可以表示为

其中，p_k'表示子载波k'在R→D链路上用于接收信息的功率，g_k'表示子载波k'在R→D链路上的信道增益，表示子载波k'在目的节点上接收中继点信号的信道噪声方差。

目的节点经过两个时隙传输后获得的速率表示为：

R＝min(R₁,R₂) (11)。

本实施方式中的子载波和功率联合分配方法具体为：

中继节点的子载波和功率联合分配问题建模为：

满足以下条件

其中，p₁＝{p_k,q_k}，p₂＝{p_k'}，R表示目的节点经过两个时隙传输后获得的速率，R₁和R₂分别表示第一时隙中继节点接收到来自源节点的速率和第二时隙目的节点接收到来自中继节点的速率，P表示源节点总发射功率。

通过拉格朗日对偶分解方法获得上述的最优子载波和功率分配：

其中，β₁，β₂，β₃和β₄表示拉格朗日乘子，P_max和P_min表示在每个子载波k上的最大和最小功率限制，

本实施例的无线传感器网络中一种基于OFDM中继解码转发的无线携能通信方法，能够有效降低传感器接收端的设计复杂度，最大化无线传感器网络的资源利用效率。

本实施例的无线携能通信方法中，接收节点使用中的子载波进行信息接收，使用中的子载波进行能量收集，接收节点只需要知道哪些子载波用于信息接收，哪些子载波进行能量接收，即接收节点只要知道用于信息接收和能量接收的子载波序号，所以不用在接收端增加分配器，能够有效降低接收端的设计复杂度，且通过中继节点中继解码转发协作有效提高了无线传感器网络的能量收集效率和系统传输速率。

在本实施方式中，S→R链路和R→D链路的距离都固定为1米，不考虑S到D的直传，两个链路的信道都假定为OFDM的频率选择性衰落信道。噪声功率谱密度设置为-50dBm，子载波个数为K＝32，能量转换效率ζ＝1。图2中显示了随着总功率的增加，用于信息接收的子载波和功率比例在增加，用于能量收集的子载波和功率比例在减少。

Claims (3)

1.一种基于OFDM中继解码转发的无线携能通信方法，无线携能通信系统由一个源节点S，一个目的节点D和一个中继节点R组成，S→R链路和R→D链路的整个带宽都被分成K个子载波，传输时间分为两个均等时隙，其特征在于：所述无线传感器网络中基于OFDM中继解码转发的的无线携能通信方法包括以下步骤：

1)源节点广播信号给中继节点和目的节点，中继节点用一部分子载波进行信息解码，用剩余部分子载波进行能量收集；

2)中继节点利用收集到的能量中继转发信息给目的节点；

中继节点的子载波和功率联合分配问题建模为：

满足以下条件

其中，p₁＝{p_k,q_k}，p₂＝{p_k'}，和分别表示用于接收信息和收集能量的子载波集合，p_k和q_k分别表示子载波k在S→R链路上用于接收信息和收集能量的功率，p_k'表示子载波k'在R→D链路上用于接收信息的功率，R表示目的节点经过两个时隙传输后获得的速率，R₁和R₂分别表示第一时隙中继节点接收到来自源节点的速率和第二时隙目的节点接收到来自中继节点的速率，P表示源节点总发射功率，h_k表示子载波k在S→R链路上的信道增益，表示子载波k在中继节点上接收源节点信号的信道噪声方差；

通过拉格朗日对偶分解方法获得上述的最优子载波和功率分配：

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其中，β₁，β₂，β₃和β₄表示拉格朗日乘子，P_max和P_min表示在每个子载波k上的最大和最小功率限制，g_k'表示子载波k'在R→D链路上的信道增益，表示子载波k'在目的节点上接收中继点信号的信道噪声方差，

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>3</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>k</mi> </msub> <msubsup> <mi>p</mi> <mi>k</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>k</mi> </msub> <msubsup> <mi>p</mi> <mi>k</mi> <mo>*</mo> </msubsup> </mrow> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>

2.如权利要求1所述的基于OFDM解码转发协作的无线携能通信方法，其特征在于：所述步骤1)中，中继节点接收到来自源节点的速率表示为：

中继节点接收到的能量表示为：

其中ζ表示能量转换效率。

3.如权利要求2所述的基于OFDM解码转发协作的无线携能通信方法，其特征在于：所述步骤2)中，目的节点接收到来自中继节点的速率可以表示为

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目的节点经过两个时隙传输后获得的速率表示为：

R＝min(R₁,R₂) (11)。