CN107911150A - 一种无线携能协作通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线携能协作通信方法包括步骤：获取通信系统的射频干扰统计参数信息和链路信道统计参数信息；分别获取当前时间帧中通信系统中源端至目的端链路的信道瞬时状态信息、源端至中继端链路的信道瞬时状态信息以及中继端至目的端链路的信道瞬时状态信息；分别计算源端至目的端链路的可达速率、中继端至目的端链路的可达速率和源端至中继端链路的可达速率；若中继端具备转发信息的条件，则将所述源端的信息通过所述中继端传输至所述目的端；否则将所述源端直接将信息传输至所述目的端。本发明公开的一种无线携能协作通信方法，利用射频干扰信号提高中继端的能量收集能力实现通信系统吞吐量的提升。

Description

一种无线携能协作通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种无线携能协作通信方法。

背景技术

在无线传感网中，由于传感器节点的尺寸限制，往往无法配备两根及以上天线，因此难以通过多输入多输出技术实现空间分集，从而系统性能的提升受到很大制约。使用无线协作中继，可以实现空间分集的另一种形式——协作分集，从而可以低成本地改善无线传感网的覆盖、降低传感器节点功耗和提高网络容量。因此，无线协作中继技术是无线传感网维持节点间连接、延长网络寿命和提高网络容量的一项关键技术。然而，由于协作中继转发数据信息需要消耗额外的能量，使用电池供电的节点频繁地充当协作中继，将会加速其死亡。此外，在许多应用场合，出于自我保护的目的，无线节点也往往不愿意消耗自身能量充当中继协作转发数据。由此，中继节点能量受限是协作中继技术应用推广必须解决的难题。解决此难题的一个直接方法是在中继节点安装能量收集装置，通过收集外部能量为中继节点转发数据供电。利用光、风、热、频谱环境及机械振动等周边自然资源收集能量属于被动式能量收集，其效率和有效性受到各种环境因素的影响，可靠性往往比较差。一个更为有效可行的方法是利用射频能量收集技术，即中继通过收集源端发送的射频信号进行收集能量。由于源端发送的射频信号是可控的，因此可为中继提供稳定可靠的供电。该方法尤其适用于源端具有固定供电能源(如可接入电网或方便更换电池的基站或无线访问接入点)且需无固定供电能源的中继节点(如传感器节点)扩大无线覆盖范围的场合。

目前关于无线携能协作通信系统的已有研究为方便起见，均假设源与目的端之间不存在直达链路，而且中继在一个时间帧收集的能量必须用于同一个时间帧的数据转发。虽然该中继能量收集方式可在解决中继能量受限问题的同时，扩展源与目的端的通信距离，但中继收集到的能量非常有限，系统吞吐量性能有待进一步提高。特别地，当源端与目的端之间存在直达链路时，基于一个帧内进行能量收集和信息转发实现的协作分集增益是可以忽略不计的。此外，在实际的无线通信网络环境中，往往存在许多射频干扰，这些射频干扰一方面会导致信息接收性能变差，另一方面也可为中继射频能量收集所用。

现有技术中由于中继收集到的能量非常有限无法彻底解决中继能量受限的问题，以及该技术如何在存在直达链路和射频干扰的一般应用场景中实现高性能的无线携能协作通信系统的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种无线携能协作通信方法，解决了现有技术中中继端能量收集不足、信息转发能力弱导致的系统吞吐量性能差的问题。

本发明实施例提供了一种无线携能协作通信方法，包括：

S1、获取通信系统的射频干扰统计参数信息和链路信道统计参数信息，初始化中继端能量缓冲状态和信息缓冲状态并计算中继端接收信干噪比阈值；

S2、分别获取当前时间帧中通信系统中源端至目的端链路的信道瞬时状态信息、源端至中继端链路的信道瞬时状态信息以及中继端至目的端链路的信道瞬时状态信息；

S3、根据所述源端至目的端链路的信道瞬时状态信息计算源端至目的端链路的可达速率；

S4、根据所述源端至目的端的可达速率、中继端的信息缓冲状态以及中继端至目的端链路的信道瞬时状态信息，计算中继端至目的端链路的可达速率；

S5、根据所述源端至中继端链路的信道瞬时状态信息计算源端至中继端链路的可达速率；

S6、若所述中继端具备转发信息的条件，则将所述源端的信息通过所述中继端传输至所述目的端；否则将所述源端直接将信息传输至所述目的端。

本发明实施例提供的一种无线携能协作通信方法通过利用射频干扰信号提高中继端的能量收集能力；根据信道状态信息，中继端能量、信息缓冲状态以及射频干扰的强弱实现中继端自适应地选择工作模式进行协作通信，解决了现有技术中中继收集到的能量非常有限无法彻底解决中继能量受限的问题，实现通信系统吞吐量的提升。

作为上述方案的改进，所述射频干扰统计参数信息包括通信系统射频干扰统计参数的均值和方差；所述链路信道统计参数信息包括通信系统链路信道统计参数的均值和方差。

作为上述方案的改进，所述中继端的能量缓冲状态包括中继端能量缓冲的能量值；所述中继端的信息缓冲的状态包括中继端的信息缓冲的数据量。

作为上述方案的改进，所述信道瞬时状态信息包括在当前时间帧中通信系统各个链路的信道增益，其中所述各个链路包括所述源端至目的端链路、源端至中继端链路和中继端至目的端链路。

作为上述方案的改进，所述步骤S6具体包括步骤：

S601、当判断到所述中继端至目的端链路的可达速率大于或等于所述源端至目的端链路的可达速率时，则中继端工作于信息转发模式，将通信信息通过中继端传输至目的端，同时更新所述中继端能量缓冲状态和信息缓冲状态；当判断到所述中继端至目的端链路的可达速率小于所述源端至目的端链路的可达速率时，则将所述源端至目的端链路的可达速率与源端至中继端链路的可达速率进行比较；

S602、当判断到所述源端至目的端链路的可达速率大于或等于源端至中继端链路的可达速率时，则中继端工作于能量收集模式，将通信信息从源端直接传输至目的端，同时更新所述中继端能量缓冲状态和信息缓冲状态；当判断到所述源端至目的端链路的可达速率小于源端至中继端链路的可达速率，则将所述中继端当前时间帧接收信干噪比与中继端接收信干噪比阈值进行比较；

S603、当判断到所述中继端当前时间帧接收信干噪比小于中继端接收信干噪比阈值时，则中继端工作于能量收集模式，将通信信息从源端直接传输至目的端，并更新所述中继端能量缓冲状态和信息缓冲状态；当判断到所述中继端当前时间帧接收信干噪比大于或等于所述中继端接收信干噪比阈值时，则中继工作于信息缓存模式，并更新中继信息缓冲状态；

S604、重复执行步骤S601～S603，直至将源端所有信息发送完毕。

作为上述方案的改进，所述信息缓存模式具体包括：

当所述源端至中继端链路的信道质量优于源端至目的端链路的信道质量时，则源端采用叠加编码方式发送信息，中继端采用相应的解码方式缓存部分信息，同时目的端也采用同样的解码方式解码剩余部分信息。

作为上述方案的改进，所述能量收集模式具体包括：

当中继端收集到的能量较少以至于中继端参与信息转发而无法获得有效的协作增益，或所述中继端接收信干噪比低于预设的界限值时，将信息从源端直接传输至目的端，同时中继端从源端至目的端直达链路中的射频信号收集能量。

作为上述方案的改进，所述信息转发模式具体包括：

当所述中继端至目的端链路通信稳定且中继端收集到足够发送缓存信息的能量时，将信息通过中继端和源端以波束成形协作的方式发送至目的端。

作为上述方案的改进，所述中继端当前时间帧接收信干噪比包括在当前时间帧中，所述中继端接收信号功率与干扰噪声功率的比值，其中不同时间帧的信干噪比是相互独立的。

本发明实施例提供的一种无线携能协作通信方法通过利用射频干扰信号提高中继端的能量收集能力；根据信道状态信息，中继端能量、信息缓冲状态以及射频干扰的强弱实现中继端自适应地选择工作模式进行协作通信，实现通信系统吞吐量的提升。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种无线携能协作通信方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种无线携能协作通信方法的步骤S6的具体流程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种无线携能协作通信系统的系统模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例提供的一种无线携能协作通信方法的流程示意图。

具体的，该控制方法包括步骤S1～步骤S6：

S1、获取通信系统的射频干扰统计参数信息和链路信道统计参数信息，初始化中继端能量缓冲状态和信息缓冲状态并计算中继端接收信干噪比阈值；

S2、分别获取当前时间帧中通信系统中源端至目的端链路的信道瞬时状态信息、源端至中继端链路的信道瞬时状态信息以及中继端至目的端链路的信道瞬时状态信息；

S3、根据所述源端至目的端链路的信道瞬时状态信息计算源端至目的端链路的可达速率；

S4、根据所述源端至目的端的可达速率、中继端的信息缓冲状态以及中继端至目的端链路的信道瞬时状态信息，计算中继端至目的端链路的可达速率；

S5、根据所述源端至中继端链路的信道瞬时状态信息计算源端至中继端链路的可达速率；

S6、若所述中继端具备转发信息的条件，则将所述源端的信息通过所述中继端传输至所述目的端；否则将所述源端直接将信息传输至所述目的端。

具体的，所述射频干扰统计参数信息包括通信系统射频干扰统计参数的均值和方差；所述链路信道统计参数信息包括通信系统链路信道统计参数的均值和方差。

具体的，所述中继端的能量缓冲状态包括中继端能量缓冲的能量值；所述中继端的信息缓冲的状态包括中继端的信息缓冲的数据量。

具体的，所述信道瞬时状态信息包括在当前时间帧中通信系统各个链路的信道增益，其中所述各个链路包括所述源端至目的端链路、源端至中继端链路和中继端至目的端链路。

结合图2，所述步骤S6具体包括步骤S601～S604：

S601、当判断到所述中继端至目的端链路的可达速率大于或等于所述源端至目的端链路的可达速率时，则中继端工作于信息转发模式，将通信信息通过中继端传输至目的端，同时更新所述中继端能量缓冲状态和信息缓冲状态；当判断到所述中继端至目的端链路的可达速率小于所述源端至目的端链路的可达速率时，则将所述源端至目的端链路的可达速率与源端至中继端链路的可达速率进行比较；

S602、当判断到所述源端至目的端链路的可达速率大于或等于源端至中继端链路的可达速率时，则中继端工作于能量收集模式，将通信信息从源端直接传输至目的端，同时更新所述中继端能量缓冲状态和信息缓冲状态；当判断到所述源端至目的端链路的可达速率小于源端至中继端链路的可达速率，则将所述中继端当前时间帧接收信干噪比与中继端接收信干噪比阈值进行比较；

S603、当判断到所述中继端当前时间帧接收信干噪比小于中继端接收信干噪比阈值时，则中继端工作于能量收集模式，将通信信息从源端直接传输至目的端，并更新所述中继端能量缓冲状态和信息缓冲状态；当判断到所述中继端当前时间帧接收信干噪比大于或等于所述中继端接收信干噪比阈值时，则中继工作于信息缓存模式，并更新中继信息缓冲状态；

S604、重复执行步骤S601～S603，直至将源端所有信息发送完毕。

具体的，所述信息缓存模式包括：

当所述源端至中继端链路的信道质量优于源端至目的端链路的信道质量时，则源端采用叠加编码方式发送信息，中继端采用相应的解码方式缓存部分信息，同时目的端也采用同样的解码方式解码剩余部分信息。

具体的，所述能量收集模式包括：

当中继端收集到的能量较少以至于中继端参与信息转发而无法获得有效的协作增益，或所述中继端接收信干噪比低于预设的界限值时，将信息从源端直接传输至目的端，同时中继端从源端至目的端直达链路中的射频信号收集能量。

具体的，所述信息转发模式包括：

当所述中继端至目的端链路通信稳定且中继端收集到足够发送缓存信息的能量时，将信息通过中继端和源端以波束成形协作的方式发送至目的端。

具体的，所述中继端当前时间帧接收信干噪比包括在当前时间帧中，所述中继端接收信号功率与干扰噪声功率的比值，其中不同时间帧的信干噪比是相互独立的。

结合图3，为了对本发明实施例提供的一种无线携能协作通信方法作进一步的说明，将所述无线携能协作通信方法应用于如图3所示的通信系统模型中。所述通信系统模型中分别包括一个源端(SN)、中继端(RN)和目的端(DN)，假设所有端点都是单天线，并且工作在半双工的模式。所述源端与所述目的端之间存在直达链路，但由于直达链路质量较差，因此所述中继端参与协作转发所述源端发送至所述目的端的信息，以提高系统吞吐量。假设所述源端具有固定供电能源，且发射功率恒为P_S。所述中继端为能量严格受限(例如使用电池供电但电池无法更换)的无线结点，且装配有射频能量收集电路，因此所述中继端可从所述源端发送的射频信号收集能量，并使用收集到的能量将转发信息至所述目的端，以延长其电池使用寿命。进一步地，假设所述中继端装配有数据缓存，从而使得所述中继端可在接收到所述源端的信息后，不需在后续的时间立刻转发而是暂时把信息放在缓存中。本实施例中的系统模型与衬垫式认知无线电网络、多蜂窝移动通信网络等应用场景相对应，考虑中继端和目的端接收机存在同频信道的射频干扰，干扰源之间互相独立且数量为K，所述中继端和所述目的端的干扰源分别记为和

在如图3所示的系统中，信息传输基于时间帧进行，每个时间帧的长度为均为T_f。所述系统各链路信道为快衰落信道，即在一个时间帧内信道保持不变，但不同各个时间帧的信道为独立同分布的随机随机变量。在第i个时间帧，所述源端至所述目的端(SD，source-to-destination)、所述源端至所述中继端(SR，source-to-relay)和所述中继端至所述目的端(RD，relay-to-destination)的链路信道响应分别记为h_SD(i)、h_SR(i)和h_RD(i)，第k个干扰源在所述中继端和所述目的端的干扰功率分别记为和所述中继端和所述目的端接收机接收信息的高斯白噪声功率为恒值，分别记为和由此，可以把第i个时间帧SD、SR和RD链路接收的信号干扰噪声比(SINR，Signal to Interferenceplus Noise Ratio)分别表示为x(i)＝γ_S(i)h_SD(i)、y(i)＝γ_S(i)h_SR(i)和z(i)＝γ_R(i)h_RD(i)，其中 由此可得，第i个时间帧SD、SR和RD链路的可达速率分别表示为

其中，所述第i个时间帧SD、SR和RD链路的可达速率的单位为bps/Hz。假设所述源端一直有信息发送，因此系统传输信息的时间帧个数N满足N→∞。

在关于无线携能协作通信系统的已有研究中，均采用时分(TS,time-switching)或能分(PS,power-splitting)中继协议进行能量收集。在这些协议中，时间帧均分为两个时隙，前一个时隙中继端从源端发送的射频信号收集能量和接收信息，后一个时隙中继端使用收集的能量把接收到的信息发送至目的端。其中，在时分中继协议中，中继端的先用一部分时间收集能量，剩下的时间则用于接收信息；在能分协议中，中继端从接收的射频信号中分离一部分能量用于能量收集，另一部分能量用于接收信息。由于中继端收集能量和接收信息均在一个时间帧内完成，因此可把其称之为帧内能量收集方式。由于仅在一个时间帧内进行，因此这种能量收集方式导致中继端收集到的能量很少，信息转发能力很弱。而且，当系统存在射频干扰时，由于能量收集和信息接收在一个时间内同时进行，因此使用帧内能量收集的已有中继协议也无法利用射频干扰的时变性进行机会能量收集(OEH，opportunistic energy harvesting，即射频干扰强时收集能量，射频干扰弱时接收信息)。由此，已有研究的中继能量收集与信息转发协议获得的协作分集增益非常有限，尤其当源端与目的端的直达链路存在时，使用已有协议将无法获得较好的系统性能，甚至比直接传输性能更差。针对上述存在的问题，本发明实施例提供的一种无线携能协作通信方法可有效增加中继收集的能量，提高中继信息转发能力，从而有效地利用中继提升系统吞吐量性能。

在本发明实施例提供的一种无线携能协作通信方法中，为提高中继端信息转发时的可用能量，所述无线携能协作通信方法将采用按帧进行能量收集的方式，即中继端可在一个时间帧或多个时间帧连续收集能量。仅当中继端收集到的能量使得中继端参与协作转发可提升系统吞吐量时，中继端才可在一个新的时间帧转发接收到的信息至目的端。这种能量收集方式与现有技术的帧内能量收集方式不同，可称为帧间能量收集。由于本发明实施例考虑到系统中存在源端至目的端的直达链路，因此当中继端收集到的能量尚未达到信息转发的条件时，源端通过直达链路发送信息至目的端，与此同时中继端从直达链路的射频信号收集能量，从而充分利用了直达链路的能量分集进行能量收集。所述无线携能协作通信方法允许中继端在射频干扰强的时间帧进行能量收集，而在射频干扰弱的时间帧进行信息接收，从而有效地实现了机会能量收集，即利用射频干扰在中继端收集能量的同时，降低了射频干扰对信息接收的影响。

根据以上分析，所述中继端在一个时间帧可工作于信息缓存、能量收集或信息转发这三种模式的其中一种，下面将对上述三种模式进行详细的说明。

(1)信息缓存(IB，Information buffer)模式：当SR链路的信道质量比SD链路的信道质量更好时，通过在所述源端使用目前已在通信系统中广泛使用的叠加编码技术，所述中继端可以接收和解码一部分源端发送的信息至其缓存中，同时所述目的端解码剩余部分源端发送的信息。其中，叠加编码的基本思想是系统根据不同的目标传输速率，将信道状态量化为不同信道质量的等级，每一个信道量化等级对应一个确定的目标传输速率。一般信道质量好的信道良好等级对应的传输速率较高，质量差的信道量化等级对应的传输速率较低，从而使得不同的信道接收端可解码其对应的信息，使得系统吞吐量性能得到极大地提高。根据公式(1)，当使用叠加编码技术时，在第i个时间帧，所述源端将把发送信息的码本划分成2^(Y(i)-X(i))个部分，每部分包含2^(Y(i)-X(i))个码字，所述中继端和所述目的端分别对每一个接收的码字进行检测该码字所属部分，从而解码得到相应的接收信息。在此情况下，第i个时间帧系统的吞吐量为表示为SR链路的可达速率X(i)，所述中继端的数据缓存的信息量为：

Q(i)＝Q(i-1)+Y(i)-X(i) (2)

(2)能量收集(EH，energy harvesting)模式：当所述中继端收集到的能量较少以致参与信息转发时无法获得有效的协作增益时，或者所述中继端接收到的射频干扰较强导致接收信干噪比低于预设的界限值时，此时所述源端直接通过直达链路发送信息至所述目的端，所述中继端则工作于能量收集模式即所述中继端从所述直达链路和干扰的射频信号中收集能量。在这种模式下系统的吞吐量即为SD链路的可达速率，则第i个时间帧系统的吞吐量表示为X(i)。所述中继端收集到的能量为：

其中ε表示能量转换效率。

(3)中继信息转发(RIT,relay information transmission)模式：当RD链路信道质量较好且所述中继端收集到足够的能量以及缓存有足够的信息时，所述中继端和所述源端通过波束成形技术协作向所述目的端发送信息。此时从所述中继端和所述源端到达所述目的端之间的信道可看作为多输入单输出信道。使用波束成形技术时，所述中继端和所述源端分别对需发送的信息进行加权发送，形成各自的窄的发射波束，而所述目的端则通过对接收到的两路信号进行加权合成形成所需的理想信号。在该模式下，第i个时间帧系统的吞吐量记为W_Q(i)，则W_Q(i)取决于Q(i-1)和W(i)的上限值，其中Q(i-1)表示第i-1个时间帧所述中继端的缓存数据量，W(i)表示第i个时间帧里所述中继端和所述源端通过波束成形技术发送信息至所述目的端的可达速率，即因此，可得

W_Q(i)＝min{Q(i－1),W(i)} (4)

第i个时间帧结束时，所述中继端的缓存数据量为：

Q(i)＝Q(i-1)-W_Q(i) (5)

而顶点中继端的缓存能量可表示为：

E(i)＝E(i-1)-T_fP_R(i) (6)

进一步的，为了描述系统的吞吐量此处引入两个参量A和D，其中A表示中继数据缓存队列的平均信息到达速率，D表示中继信息缓存队列的平均信息离开速率，并且分别以d_i＝0、d_i＝-1和d_i＝1表示中继端的IB、EH和RIT模式，则

可以理解的，为满足中继缓冲队列的因果性关系，应当有A≥D。进一步的，如果A>D则中继数据缓存队列中将存在一部分信息将无法发送至所述目的端。因此，为了使所述目的端可接收到从所述源端发送的所有信息，当系统吞吐量最大时，应当有A＝D。另一方面，当中继缓存队列稳定而且系统吞吐量最大时，则所述中继端在任意一个时间帧接收到的信息量大于RD链路发送的信息量，即Q(i-1)≥W(i)。由此，当N→∞时，所述中继端工作于IB模式且中继端的缓冲数据量对系统吞吐量的影响可忽略。因此，当N→∞时，D可表示为：

根据上述分析可以理解的，当系统吞吐量达到最大时，则

系统吞吐量可以理解为由两个部分组成，第一部分是信息由所述源端通过直接传输至所述目的端的通信吞吐量，第二部分是信息由所述源端通过所述中继端进行协作再到所述目的端时的通信吞吐量，所以系统的可达吞吐量表示为：

进一步的，系统吞吐量的优化则可表示为：

其中，约束条件C1为中继端数据缓存队列稳定且系统吞吐量最大的必要条件；约束条件C2为中继端工作于RIT、EH和IB任意一种工作模式的必要条件，与d_i∈{0,-1,1}等价；约束条件C3保证中继端在第i个时间帧和i时间帧之前的转发信息所需能量之和不超过第1个时间帧到第i-1个时间帧所收集的能量总和。

进一步的，步骤S603具体包括：

在第i个时间帧内中继端在EH和IB模式下系统的吞吐量即为所述SD链路的可达速率X(i)，在所述RIT模式下系统的吞吐量为W_Q(i)。当所述RIT模式下系统的吞吐量W_Q(i)大于所述EH和IB模式下系统的吞吐量X(i)时，可以理解的，在此种情况下系统通过RD链路进行信息的传输可以获得更大的吞吐量，则所述中继端在该时间帧内应工作在RIT模式，即d_i＝1，得到在该时间帧下系统吞吐量为W_Q(i)，利用公式(5)和(6)分别更新所述中继端的缓存数据量Q(i)和存储能量E(i)，然后更新帧序号即i＝i+1，则系统进入下一个时间帧进行信息传输。

当所述RIT模式下系统的吞吐量W_Q(i)小于或等于所述EH和IB模式下系统的吞吐量X(i)时，可以理解的，所述源端通过RD链路进行信息传输的可达速率较小，此时所述中继端应收集能量或接收信息，即所述中继端工作于EH或IB模式。进一步的，为确定所述中继端是工作于EH模式还是IB模式，先计算SR链路的可达速率Y(i)，并比较所述EH和IB模式下系统的吞吐量X(i)和所述SR链路的可达速率Y(i)。当所述EH和IB模式下系统的吞吐量X(i)大于所述SR链路的可达速率Y(i)时，可以理解的，SD的直达链路信道质量优于SR的中继链路信道质量则中继端工作于EH模式，即d_i＝-1，得到该时间帧下系统吞吐量为X(i)，并利用公式(3)更新中继端的存储能量E(i)，然后更新帧序号i＝i+1，则系统进入下一个时间帧进行信息传输。

当所述EH和IB模式下系统的吞吐量X(i)小于或等于所述SR链路的可达速率Y(i)时，可以理解的，SR信道质量较好，所述中继端可通过SR链路接收信息。但此时还应判断射频干扰的强度，如果通信系统受到的射频干扰较强则中继应优先利用射频干扰收集能量，以提高中继信息转发的能力。为此，引入中继的平均接收信噪比γ。

由于中继端接收的信干噪比为SR链路接收的信号干扰噪声比，因此，如果中继端接收的信干噪比大于中继端的平均接收信噪比γ，即可表示为y(i)>γ那么射频干扰较弱，则所述中继端工作于IB模式，即d_i＝0，并利用公式(2)更新中继端数据缓存的信息量Q(i)；否则意味着射频干扰较强，所述中继端应利用射频干扰收集能量，实现机会能量收集，所以此时所述中继端工作于EH模式，即d_i＝1，并利用公式(3)更新中继端能量缓冲E(i)。然后更新帧序号i＝i+1，则系统进入下一个时间帧进行信息传输，直到所述源端发送完所有的信息。

进一步的，所述中继端的平均接收信噪比γ的计算方法为假设系统所有信道为Rayleigh衰落信道，则信道增益均值为其中σ是Rayleigh衰落信道的方差。为了不失一般性则令σ＝1。因此，SR信道的信道增益均值为H_SR≈1.253，从而可得所述中继端的平均接收信噪比可表示为

其中μ_k为射频干扰在中继的平均干扰功率，为中继接收机的加性高斯白噪声方差。

本实施例公开的无线携能协作通信方法通过利用射频干扰信号提高中继端的能量收集能力；根据信道状态信息，中继端能量、信息缓冲状态以及射频干扰的强弱实现中继端自适应地选择工作模式进行协作通信，解决了现有技术中中继端能量收集不足、信息转发能力弱导致的系统吞吐量性能差的问题，实现通信系统吞吐量的提升。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种无线携能协作通信方法，其特征在于，包括步骤：

S1、获取通信系统的射频干扰统计参数信息和链路信道统计参数信息，初始化中继端能量缓冲状态和信息缓冲状态并计算中继端接收信干噪比阈值；

S2、分别获取当前时间帧中通信系统中源端至目的端链路的信道瞬时状态信息、源端至中继端链路的信道瞬时状态信息以及中继端至目的端链路的信道瞬时状态信息；

S3、根据所述源端至目的端链路的信道瞬时状态信息计算源端至目的端链路的可达速率；

S4、根据所述源端至目的端的可达速率、中继端的信息缓冲状态以及中继端至目的端链路的信道瞬时状态信息，计算中继端至目的端链路的可达速率；

S5、根据所述源端至中继端链路的信道瞬时状态信息计算源端至中继端链路的可达速率；

S6、若所述中继端具备转发信息的条件，则将所述源端的信息通过所述中继端传输至所述目的端；否则将所述源端直接将信息传输至所述目的端。

2.如权利要求1所述的无线携能协作通信方法，其特征在于，所述射频干扰统计参数信息包括通信系统射频干扰统计参数的均值和方差；所述链路信道统计参数信息包括通信系统链路信道统计参数的均值和方差。

3.如权利要求1所述的无线携能协作通信方法，其特征在于，所述中继端的能量缓冲状态包括中继端能量缓冲的能量值；所述中继端的信息缓冲的状态包括中继端的信息缓冲的数据量。

4.如权利要求1所述的无线携能协作通信方法，其特征在于，所述信道瞬时状态信息包括在当前时间帧中通信系统各个链路的信道增益，其中所述各个链路包括所述源端至目的端链路、源端至中继端链路和中继端至目的端链路。

5.如权利要求1所述的无线携能协作通信方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括步骤：

S601、当判断到所述中继端至目的端链路的可达速率大于或等于所述源端至目的端链路的可达速率时，则中继端工作于信息转发模式，将通信信息通过中继端传输至目的端，同时更新所述中继端能量缓冲状态和信息缓冲状态；当判断到所述中继端至目的端链路的可达速率小于所述源端至目的端链路的可达速率时，则将所述源端至目的端链路的可达速率与源端至中继端链路的可达速率进行比较；

S602、当判断到所述源端至目的端链路的可达速率大于或等于源端至中继端链路的可达速率时，则中继端工作于能量收集模式，将通信信息从源端直接传输至目的端，同时更新所述中继端能量缓冲状态和信息缓冲状态；当判断到所述源端至目的端链路的可达速率小于源端至中继端链路的可达速率，则将所述中继端当前时间帧接收信干噪比与中继端接收信干噪比阈值进行比较；

S603、当判断到所述中继端当前时间帧接收信干噪比小于中继端接收信干噪比阈值时，则中继端工作于能量收集模式，将通信信息从源端直接传输至目的端，并更新所述中继端能量缓冲状态和信息缓冲状态；当判断到所述中继端当前时间帧接收信干噪比大于或等于所述中继端接收信干噪比阈值时，则中继工作于信息缓存模式，并更新中继信息缓冲状态；

S604、重复执行步骤S601～S603，直至将源端所有信息发送完毕。

6.如权利要求4所述的无线携能协作通信方法，其特征在于，所述信息缓存模式具体包括：

当所述源端至中继端链路的信道质量优于源端至目的端链路的信道质量时，则源端采用叠加编码方式发送信息，中继端采用相应的解码方式缓存部分信息，同时目的端也采用同样的解码方式解码剩余部分信息。

7.如权利要求4所述的无线携能协作通信方法，其特征在于，所述能量收集模式具体包括：

当中继端收集到的能量较少以至于中继端参与信息转发而无法获得有效的协作增益，或所述中继端接收信干噪比低于预设的界限值时，将信息从源端直接传输至目的端，同时中继端从源端至目的端直达链路中的射频信号收集能量。

8.如权利要求4所述的无线携能协作通信方法，其特征在于，所述信息转发模式具体包括：

当所述中继端至目的端链路通信稳定且中继端收集到足够发送缓存信息的能量时，将信息通过中继端和源端以波束成形协作的方式发送至目的端。

9.如权利要求4所述的无线携能协作通信方法，其特征在于，所述中继端当前时间帧接收信干噪比包括在当前时间帧中，所述中继端接收信号功率与干扰噪声功率的比值，其中不同时间帧的信干噪比是相互独立的。