CN108521666B - 一种基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法 - Google Patents

一种基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法 Download PDF

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CN108521666B CN201810207628.7A CN201810207628A CN108521666B CN 108521666 B CN108521666 B CN 108521666B CN 201810207628 A CN201810207628 A CN 201810207628A CN 108521666 B CN108521666 B CN 108521666B
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Abstract

本发明公开了一种基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法，以系统目的节点中断概率最小化为目标，对工作在非线性能量采集模型下的各个中继节点的功率分割系数和发送功率进行联合优化，寻求最优的功率分配方案，步骤如下：根据信道状态信息得到每个中继节点在第一时隙接收到的信号
Figure DDA0001596307110000011
对第k个中继节点的接收信号
Figure DDA0001596307110000012
按能量采集和信息接收两个模块进行比例为
Figure DDA0001596307110000013
的功率分配；根据非线性能量采集模型得到第k个中继节点采集能量
Figure DDA0001596307110000014
根据放大前传协议将信号
Figure DDA0001596307110000015
转发至目的节点，得到目的节点在第二时隙接收到的信号
Figure DDA0001596307110000016
计算各链路的瞬时信道容量
Figure DDA0001596307110000017
采用最大比合并方式计算得到系统联合中断概率
Figure DDA0001596307110000018
经过一次等价变形处理得最终待优化目标函数；计算得出最优解
Figure DDA0001596307110000019

Description

一种基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配 方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法。
背景技术
多输入多输出(MIMO)技术是无线衰落环境下实现高数据传输和提高系统容量的重要途径之一，但受发射功率以及节点尺寸的限制，在尺寸小的终端节点上应用该技术比较困难。协作通信是一种虚拟的MIMO技术，其基本思想是利用中继技术和无线电波的广播特性，实现用户间的天线共享，使终端在单天线的条件下也可以获得分集增益。
传统的中继技术面临中继节点电池容量有限的问题，通常需要周期性地对电池进行充电、或者更换电池。对于工作环境恶劣的中继节点，使用传统方法对电池进行充电或更换电池存在操作困难、甚至无法实现等问题，无线能量传输/采集技术开发成为迫切需求。其中，无线信息传输的同时对信号进行能量采集是解决中继节点能量续航的潜在方案。在基于能量采集的中继系统中，如何对中继系统的资源进行合理地配置是影响系统性能的关键。
目前已有一些研究提出了基于能量采集的中继系统资源分配方法，但这些方法通常考虑线性形式的能量采集模型，与实际电路情形不符。在实际的接收设备中，接收机电路的输入-输出特性为非线性。公布号为CN105451343A、公布日为2016年03月30日的一篇名为“一种基于能量采集的多中继网络资源分配方法”的发明专利，提出在满足性能要求的情况下，选择一个最优中继参与协作，具有减少能量开销、实现简单的优点。其不足之处在于能量采集模型考虑的是与实际电路情况不匹配的简单线性模型，而且仅仅考虑选择最优中继来实现信息转发，这也是对中继资源的一种浪费。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法，在两跳多中继(不考虑s→d直达链路)场景下，以系统目的节点中断概率最小化为目标，对工作在非线性能量采集模型下的各个中继节点的功率分割系数和发送功率进行联合优化，寻求最优的功率分配方案，有效降低系统中断概率。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法，其特征在于，所述的功率分配方法包括下列步骤：
S1、信号x在额定发送功率Ps的条件下由源节点s经过信道发送至K个中继节点，第k个中继节点rk在第一时隙接收到的信号为
Figure BDA0001596307090000021
其中，1≤k≤K，
Figure BDA0001596307090000022
是源节点s与中继节点rk之间的信道系数，
Figure BDA0001596307090000023
是s与rk之间的信道噪声；
S2、中继节点rk利用功率分裂器将接收信号
Figure BDA0001596307090000024
分裂为功率比为
Figure BDA0001596307090000025
的独立两路信号，其中一路信号
Figure BDA0001596307090000026
传输至信息接收模块进行信息接收，另一路信号
Figure BDA0001596307090000027
传输至能量采集模块进行能量采集，并将采集到的电能存储在电池中，为中继节点rk提供能量续航，其中，
Figure BDA0001596307090000028
是中继节点rk的能量采集与信息接收之间的功率分割系数，满足约束条件
Figure BDA0001596307090000031
S3、根据所述的信号
Figure BDA0001596307090000032
计算中继节点rk的采集功率
Figure BDA0001596307090000033
其中，
Figure BDA0001596307090000034
是中继节点rk在非线性能量采集模型下所能采集到的最大功率，
Figure BDA0001596307090000035
其中
Figure BDA0001596307090000036
是由中继节点rk的能量采集电路特性所确定的两个常数，
Figure BDA0001596307090000037
其中
Figure BDA0001596307090000038
S4、中继节点rk将所述的信号
Figure BDA0001596307090000039
根据放大前传协议转发至目的节点d，得到目的节点d在第二时隙接收到的信号
Figure BDA00015963070900000310
其中，
Figure BDA00015963070900000311
是rk的放大系数，
Figure BDA00015963070900000312
表示
Figure BDA00015963070900000313
的方差，
Figure BDA00015963070900000314
是rk的发送功率，
Figure BDA00015963070900000315
是rk与d之间的信道系数，
Figure BDA00015963070900000316
是rk与d之间的信道噪声；
S5、根据所述的信号
Figure BDA00015963070900000317
计算第k条中继链路s→rk→d的瞬时信道容量
Figure BDA00015963070900000318
其中，
Figure BDA00015963070900000319
表示源节点s的发送信号通过中继节点rk到达目的节点d处的接收信号的信噪比；
S6、根据所述的瞬时信道容量
Figure BDA00015963070900000320
计算第k条中继链路s→rk→d发生中断的概率
Figure BDA00015963070900000321
其中Rth是确保中继链路s→rk→d不发生中断的最低信息传输速率；
S7、目的节点d采用最大比合并(MRC)方式对K个中继节点转发来的信号进行合并，并根据所述的中断概率
Figure BDA00015963070900000322
计算系统联合中断概率
Figure BDA00015963070900000323
S8、将所述的联合中断概率
Figure BDA00015963070900000324
作为待优化的目标函数，对其进行一次等价变形处理，所述的基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法转化为对如下数学问题的求解：
Figure BDA0001596307090000041
Figure BDA0001596307090000042
Figure BDA0001596307090000043
Figure BDA0001596307090000044
其中，
Figure BDA0001596307090000045
是中继节点rk的最大发送功率，
Figure BDA0001596307090000046
表示
Figure BDA0001596307090000047
的方差；
S9、对步骤S8所述的数学问题求解，得到最优的功率分配方案
Figure BDA0001596307090000048
1≤k≤K，其中，
Figure BDA0001596307090000049
和
Figure BDA00015963070900000410
分别是求解步骤S8所述的数学问题得到的第k个中继节点的最优发送功率以及步骤S2所述的功率分割系数的最优值。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明考虑多中继系统中，各中继节点在能量采集与信息接收两个模块之间采用动态功率分割策略的情形下，对各中继节点的能量采集与信息接收之间的功率分割系数以及该节点的发送功率进行联合优化，在有效提升系统中断性能的同时，进一步降低各中继节点的功耗。
2、本发明考虑在各中继处应用非线性能量采集模式(即当接收功率增大到一定值时，采集功率并不会持续线性增长，而是会趋于一个恒定值)，这种能量采集模式更贴合实际情况，具有更好的应用价值。
附图说明
图1是本发明公开的基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法的流程示意图；
图2是本发明公开的基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法中网络模型示意图；
图3是本发明公开的基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法中采用的功率分配示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。
实施例
本发明公开的基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法的具体计算逻辑流程见图1，网络模型见图2，采用的功率分配方法见图3。
本实施例中，具体参数设置如下：
设定中继个数K＝2，即本发明中两跳多中继无线协作网络模型由1个源节点、2个中继节点和1个目的节点组成，分别记做s、rk(1≤k≤2)和d。源节点s的发送功率设为额定值Ps(即令Ps＝48dBm)。
Figure BDA0001596307090000051
和
Figure BDA0001596307090000052
分别表示源节点s与中继节点rk之间以及中继节点rk与目的节点d之间的信道系数，本实施例考虑信道同时经历小尺度瑞利衰落与大尺度路径损失的情形，即
Figure BDA0001596307090000053
其中gij是服从均值为0、方差分别为1的复高斯分布，表示瑞利衰落；Lij表示节点i和节点j之间的距离，α表示路径衰落指数；本实施例考虑源节点与各中继节点的距离以及各中继节点与目的节点距离均为1m、路径衰落指数α＝2的情形。
Figure BDA0001596307090000054
和
Figure BDA0001596307090000055
分别表示源节点s与中继节点rk之间以及中继节点rk与目的节点d之间的信道噪声，是方差为
Figure BDA0001596307090000061
和
Figure BDA0001596307090000062
的独立同分布的复高斯随机变量，其中
Figure BDA0001596307090000063
Figure BDA0001596307090000064
Figure BDA0001596307090000065
Rth＝3bits/Hz。
本实施例应用本发明所述的基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法，具体包含以下顺序的步骤：
S1、信号x在额定发送功率Ps条件下由源节点s经过信道发送至2个中继节点rk，第k(1≤k≤2)个中继节点rk在第一时隙接收到的信号为
Figure BDA0001596307090000066
S2、中继节点rk利用功率分裂器将步骤S1所述的接收信号
Figure BDA0001596307090000067
分裂为功率比为
Figure BDA0001596307090000068
的独立两路信号，其中一路信号
Figure BDA0001596307090000069
传输至信息接收模块进行信息接收，另一路信号
Figure BDA00015963070900000610
传输至能量采集模块进行能量转换，并将转换后的电能存储在电池中，为rk提供能量续航。其中，
Figure BDA00015963070900000611
是rk的能量采集与信息接收之间的功率分割系数，满足约束
Figure BDA00015963070900000612
S3、根据步骤S2所述的信号
Figure BDA00015963070900000613
计算中继节点rk的采集功率
Figure BDA00015963070900000614
其中，
Figure BDA00015963070900000615
是rk在非线性能量采集模型下所能采集到的最大功率；
Figure BDA00015963070900000616
其中
Figure BDA00015963070900000617
是由rk的能量采集电路特性所确定的两个常数；
Figure BDA00015963070900000618
其中
Figure BDA00015963070900000619
S4、中继节点rk将步骤S2所述的信号
Figure BDA00015963070900000620
根据放大前传协议转发至目的节点d，得到d在第二时隙接收到的信号
Figure BDA00015963070900000621
其中，
Figure BDA00015963070900000622
是rk的放大系数，
Figure BDA0001596307090000071
是rk的发送功率。
S5、根据步骤S4所述的信号
Figure BDA0001596307090000072
计算第k条中继链路s→rk→d的瞬时信道容量
Figure BDA0001596307090000073
其中，
Figure BDA0001596307090000074
表示源节点s的发送信号通过中继节点rk到达目的节点d处的接收信号的信噪比。
Figure BDA0001596307090000075
S6、根据步骤S5所述的瞬时信道容量
Figure BDA0001596307090000076
计算第k条中继链路s→rk→d发生中断的概率为：
Figure BDA0001596307090000077
其中，Rth是确保中继链路s→rk→d不发生中断的最低信息传输速率。
S7、目的节点d采用最大比合并(MRC)方式对2个中继节点转发来的信号进行合并，并根据步骤S6所述的中断概率
Figure BDA0001596307090000078
计算系统联合中断概率为：
Figure BDA0001596307090000079
S8、将步骤S7所述的联合中断概率
Figure BDA00015963070900000710
作为待优化的目标函数，该优化问题可以表示为：
Figure BDA0001596307090000081
Figure BDA0001596307090000082
Figure BDA0001596307090000083
Figure BDA0001596307090000084
再对目标函数
Figure BDA0001596307090000085
取自然对数ln(·)，所述的基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法转化为对如下所述数学问题的求解：
Figure BDA0001596307090000086
Figure BDA0001596307090000087
Figure BDA0001596307090000088
Figure BDA0001596307090000089
其中，
Figure BDA00015963070900000810
是中继节点rk的最大发送功率。
S9、对步骤S8所述的数学问题求解，得到最优的功率分配方案
Figure BDA00015963070900000811
其中，
Figure BDA00015963070900000812
和
Figure BDA00015963070900000813
分别是求解步骤S8所述的数学问题得到的第k个中继节点的最优发送功率(单位为mW)以及步骤S2所述的功率分割系数的最优值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法，其特征在于，所述的功率分配方法包括下列步骤：
S1、信号x在额定发送功率Ps的条件下由源节点s经过信道发送至K个中继节点，第k个中继节点rk在第一时隙接收到的信号为
Figure FDA0002417314170000011
其中，1≤k≤K，
Figure FDA0002417314170000012
是源节点s与中继节点rk之间的信道系数，
Figure FDA0002417314170000013
是s与rk之间的信道噪声；
S2、中继节点rk利用功率分裂器将接收信号
Figure FDA0002417314170000014
分裂为功率比为
Figure FDA0002417314170000015
的独立两路信号，其中一路信号
Figure FDA0002417314170000016
传输至信息接收模块进行信息接收，另一路信号
Figure FDA0002417314170000017
传输至能量采集模块进行能量采集，其中，
Figure FDA0002417314170000018
是中继节点rk的能量采集与信息接收之间的功率分割系数，满足约束条件
Figure FDA0002417314170000019
S3、根据所述的信号
Figure FDA00024173141700000110
计算中继节点rk的采集功率
Figure FDA00024173141700000111
S4、中继节点rk将所述的信号
Figure FDA00024173141700000112
根据放大前传协议转发至目的节点d，得到目的节点d在第二时隙接收到的信号
Figure FDA00024173141700000113
其中，
Figure FDA00024173141700000114
是rk的放大系数，
Figure FDA00024173141700000115
表示
Figure FDA00024173141700000116
的方差，
Figure FDA00024173141700000117
是rk的发送功率，
Figure FDA00024173141700000118
是rk与d之间的信道系数，
Figure FDA00024173141700000119
是rk与d之间的信道噪声；
S5、根据所述的信号
Figure FDA00024173141700000120
计算第k条中继链路s→rk→d的瞬时信道容量
Figure FDA00024173141700000121
其中，
Figure FDA00024173141700000122
表示源节点s的发送信号通过中继节点rk到达目的节点d处的接收信号的信噪比；
S6、根据所述的瞬时信道容量
Figure FDA0002417314170000021
计算第k条中继链路s→rk→d发生中断的概率
Figure FDA0002417314170000022
其中Rth是确保中继链路s→rk→d不发生中断的最低信息传输速率；
S7、目的节点d对K个中继节点转发来的信号进行合并，并根据所述的中断概率
Figure FDA0002417314170000023
计算系统联合中断概率
Figure FDA0002417314170000024
S8、将所述的联合中断概率
Figure FDA0002417314170000025
作为待优化的目标函数，对其进行一次等价变形处理，将所述的基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法转化为对如下数学问题的求解：
Figure FDA0002417314170000026
Figure FDA0002417314170000027
Figure FDA0002417314170000028
Figure FDA0002417314170000029
其中，
Figure FDA00024173141700000210
是中继节点rk的最大发送功率，
Figure FDA00024173141700000211
表示
Figure FDA00024173141700000212
的方差；
S9、对步骤S8所述的数学问题求解，得到最优的功率分配方案
Figure FDA00024173141700000213
1≤k≤K，其中，
Figure FDA00024173141700000214
和
Figure FDA00024173141700000215
分别是求解步骤S8中所述的数学问题得到的第k个中继节点的最优发送功率以及步骤S2中所述的功率分割系数的最优值。
2.根据权利要求1中所述的一种基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法，其特征在于，所述的步骤S3中中继节点rk的采集功率
Figure FDA00024173141700000216
的计算公式如下：
Figure FDA00024173141700000217
其中，
Figure FDA00024173141700000218
是中继节点rk在非线性能量采集模型下所能采集到的最大功率，
Figure FDA0002417314170000031
其中
Figure FDA0002417314170000032
是由中继节点rk的能量采集电路特性所确定的两个常数，
Figure FDA0002417314170000033
其中
Figure FDA0002417314170000034
3.根据权利要求1中所述的一种基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法，其特征在于，所述的步骤S7中目的节点d采用最大比合并方式对K个中继节点转发来的信号进行合并。
4.根据权利要求1中所述的一种基于非线性能量采集模型的多中继系统动态功率分配方法，其特征在于，所述的步骤S2中另一路信号
Figure FDA0002417314170000035
传输至能量采集模块进行能量采集后，并将采集到的电能存储在电池中，为中继节点rk提供能量续航。
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