CN108811025B - 一种基于中继储能的无线携能通信协作传输方案 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，首先为避免解码错误的转发，构建一个解码集，其可以通过调整功分因子值达到成功解码的目的；其次考虑到中继本身能量的不足和信道受深衰落的影响，解码集中部分中继可能无法将源信号传送到目的节点，通过从解码集中排除这些中继，本发明进一步构建了一个转发集，并从中选择一个最佳中继转发信息承载信号；对于所有未选中的中继而言，其采集能量将存入电池以供后续通信使用。本发明提供的基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，以系统最大剩余能量为中继选择标准，延长了网络寿命，最大限度地利用资源，践行了绿色通信的理念。

Description

一种基于中继储能的无线携能通信协作传输方案
技术领域
本发明涉及一种基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，属于移动通信技术领域。
背景技术
近年来，“绿色通信”理念的提出激发了学者对无线携能通信(simultaneouswireless information and power transfer，SWIPT)技术的研究，该技术允许无线通信设备从射频信号中采集能量，以降低自身能量的消耗。这对能量受限的通信系统来说非常有吸引力，尤其是恶劣环境下远距离的通信，因为电池的充电和更换相当困难。因此人们试图寻求一种能量自给自足且适应远距离通信的技术，即基于中级的额SWIPT技术。这样既可以扩大通信覆盖范围，又可以缓解中继电池能量的短缺问题，延长了网络寿命，提高了资源利用率。
文献[A.A.Nasir,X.Zhou,S.Durrani,and R.A.Kennedy,“Relaying protocolsfor wireless energy harvesting and information processing,”IEEETrans.Wireless Commun.,vol.12,no.7,pp.3622–3636,July.2013.]介绍了一种最简单的三节点模型，即源端-中继-宿端，首次将SWIPT与放大转发(amplify-and-forward，AF)中继技术结合；文献[Z.Chen,P.Xu,Z.Ding and X,Dai,“Cooperative transmission insimultaneous wireless information and power transfer networks,”IEEETrans.Vehicular,vol.65,no.10,pp.8710–8715,Oct.2016.]将简单的三节点模型拓展为多中继的模型，在此模型下，有两个主要的研究点，包含中继接收结构的设计和中继的选择。通常，为了获得更好的系统性能，可以联合设计中继的接收结构和中继的选择；然而大部分有关中继选择的现有技术忽略了中继储能的能力，且都是以AF中继为研究对象。为提高协作通信质量，考虑中继储能是比较合理的选择；本发明将研究方向拓展到解码转发(decode-and-forward，DF)中继上，在考虑电池储能上限的基础上研究多中继协作通信。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，从中继的转发集中选一个最佳中继，该中继既能成功解码源信号又能为目的节点D提供足够的信噪比。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，所述无线携能通信的通讯网络包括一个源节点S、一个目的节点D和N个DF中继节点，D不在S的广播范围内；信号传输包含两跳信道，
Figure BDA0001669888860000021
表示S到Ri的信道，
Figure BDA0001669888860000022
表示Ri到D的信道；所述传输方案包括如下步骤，
(1)第一时隙，源节点S以固定速率R向中继Ri广播信号，中继通过功率分割器对接收信号进行功率切分，调节功分因子ρi值使第一跳信道容量达到速率要求；满足前述条件的中继集合定义为解码集；
(2)第二时隙，成功解码的中继利用电池和采集的能量向目的节点D转发信号，并调节发射功率使第二跳信道容量达到速率要求；满足前述条件的解码中继集合定义为转发集；
(3)在多中继协作传输的无线携能通信系统中，以系统最大剩余能量为中继选择标准，从转发集中选出一个最佳中继转发；同时，本次传输的剩余能量将作为下一次传输的初始能量。
进一步地，步骤(1)中，中继通过功率分割器对接收信号进行功率切分后，接收信号的ρi部分用于信息解码，(1-ρi)部分用于能量采集。
进一步地，当ρi值为1，即接收信号全用于信息解码时，能使信道容量满足速率要求的中继是可解码的，则解码集
Figure BDA0001669888860000023
其中S-Ri第一跳信道容量
Figure BDA0001669888860000024
SNRSi为Ri的接收信噪比。
进一步地，步骤(2)中，电池能量与采集能量之和，即中继存储的所有可用能量为
Figure BDA0001669888860000025
其中
Figure BDA0001669888860000026
为中继电池初始能量，
Figure BDA0001669888860000027
为中继电池的储能上限，
Figure BDA0001669888860000028
为中继的采集功率，T表示信号由S传到D的时间；
进一步地，步骤(2)中，当解码中继以最大功率转发时能使Ri-D信道容量满足速率要求的中继是可转发的，转发集
Figure BDA0001669888860000029
其中Ri-D第二跳信道容量
Figure BDA00016698888600000210
SNRiD为D端接收信噪比，
Figure BDA00016698888600000211
为中继最大发射功率。
进一步地，步骤(3)中，中继选择的具体过程如下，
31)计算信号第k次传输时最佳中继转发所消耗的能量；
32)计算信号第k次传输时N个中继存储的所有可用能量；
33)以最大剩余能量为选择标准，利用中心式策略筛选中继；以目的节点D为中心节点，借助所有信道状态信息执行协同节点选择算法并将所选中继的下标存入中心表中；
34)根据中心表获得最佳中继下标，更新第[k+1]次传输时N个中继的初始储能。
有益效果：本发明提供的基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，在优先满足系统速率的前提下，以最大剩余能量为中继选择标准；最佳中继在转发信号，剩余中继全部采集能量，从而可最大限度地储能，以备未来通信使用。与传统技术相比，一方面，本方案延长了SWIPT通信的传输距离和网络寿命，另一方面缓解了中继通信中能量短缺的问题，实现了真正意义上的绿色通信。
附图说明
图1为本发明的系统模型示意图；
图2为本发明中功率分割器的结构示意图；
图3为本发明中能量收集型中继的PS接收结构图；
图4为本发明中网络寿命随源节点发射功率变化的仿真曲线图；
图5为本发明中网络寿命随系统固定速率变化的仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
无线携能通信网络包括一个源节点S，一个目的节点D和N个DF中继节点，D不在S的广播范围内，即源节点S到目的节点D没有信号直达路径，如图1所示。信号传输包含两跳信道，
Figure BDA0001669888860000031
表示S到Ri的信道，
Figure BDA0001669888860000032
表示Ri到D的信道；两跳信道均服从瑞利衰落，所述瑞利衰落即：在无线通信信道中，由于信号进行多径传播达到接收点处的场强来自不同传播的路径，隔条路径延时时间是不同的，而各个方向分量波的叠加，又产生了驻波场强，从而形成信号快衰落。
针对网络第k(k≥0)次传输过程，一种基于中继储能的无线携能通信协作传输方案的步骤如下：
(1)第一时隙，源节点S以固定速率R向中继Ri广播信号，中继通过功率分割器对接收信号yi[k]进行功率切分，调节功分因子ρi值使第一跳信道容量达到速率要求；接收信号的ρi部分用于信息解码，(1-ρi)部分用于能量采集；将满足前述条件的解码中继集合定义为解码集。功率分割器的结构示意图如图2所示，天线接收信号在射频端被分割成两部分，分别输入信息解码模块和能量采集模块。
中继接收信号为
Figure BDA0001669888860000041
式中，PS为源节点发射功率，x[k]为归一化的发送信号，
Figure BDA0001669888860000042
是中继处AWGN(Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声)。
采用图3的PS接收结构，其中
Figure BDA0001669888860000043
用于信息解码，
Figure BDA0001669888860000044
用于能量采集，
Figure BDA0001669888860000045
是射频向基带转换引发的噪声。当ρi[k]＝1，接收信号全用于信息解码(ID)，能使信道容量满足速率要求的中继是可解码的，则解码集
Figure BDA0001669888860000046
第一跳信道S-Ri最大容量为
Figure BDA0001669888860000047
为Ri端接收信噪比。
(2)第二时隙，成功解码的中继利用电池和采集的能量向目的节点D转发信号，并调节发射功率使第二跳信道容量达到速率要求，将满足此条件的解码中继集合定义为转发集。
电池的初始能量和采集能量之和，即中继存储的所有可用能量
Figure BDA0001669888860000048
为：
Figure BDA0001669888860000049
其中，
Figure BDA00016698888600000410
为电池初始储能，
Figure BDA00016698888600000411
为每个中继的储能上限，
Figure BDA00016698888600000412
为中继采集到的功率，η为转换效率，T为一次传输消耗的时间。
以最大可用能量转发信号，信道容量达到速率要求的解码中继是可转发的，则转发集
Figure BDA0001669888860000051
为第二跳信道最大容量，
Figure BDA0001669888860000052
为D端接收信噪比，
Figure BDA0001669888860000053
为中继最大发射功率。
(3)在多中继协作传输的SWIPT系统中，系统剩余能量越大，网络生存越久，以此为中继选择标准，从转发集中选出一个最佳中继转发。同时本次传输的剩余能量将作为下一次传输的初始能量。
最佳中继的选择步骤具体如下：
31)计算信号第k次传输时最佳中继转发所消耗的能量：
Wconsume[k]＝Pi opt[k]T/2，
式中，
Figure BDA0001669888860000054
是刚好满足CiD[k]＝R的最佳发射功率。
32)计算信号第次传输时N个中继存储的所有可用能量：
Figure BDA0001669888860000055
33)以最大剩余能量为选择标准：
Figure BDA0001669888860000056
利用中心式策略筛选中继；以目的节点D为中心节点，借助信道的状态信息执行协同节点选择算法，将选中的中继下标存入中心表中同时反馈给中继节点，以便进行中继的能量更新。所述中心式策略是先将所需信号传送到目的端，目的端再使用中继节点选择算法将执行结果返回至源端和相应中继节点处。
34)根据中心表获得最佳中继下标，更新第[k+1]次传输时N个中继的初始储能，
Figure BDA0001669888860000057
仿真实验与效果分析：
仿真说明：仿真实验时，本发明提供的技术方案与现有技术中常用的两种方案进行对比，现有技术中常用的两种方案选择为“无EH转发集”和“EH解码集”，“无EH转发集”的中继选择标准与本发明一致，但该方案不考虑中继储能；“EH解码集”的中继可以采集能量，但中继选择标准是常见的最大CiD容量。
仿真参数：中继数N＝5，T＝0.1μs，η＝0.5；信道参数
Figure BDA0001669888860000061
Figure BDA0001669888860000062
路径损耗系数α＝4，天线增益
Figure BDA0001669888860000063
S-Ri和Ri-D的距离相等为dSi＝diD＝5m，噪声为
Figure BDA0001669888860000064
首次传输电池的初始能量
Figure BDA0001669888860000065
电池储能上限
Figure BDA0001669888860000066
仿真结果分析：
如图4所示，源节点发射功率越大，中继集能越多，网络通信次数越多；从图中可以看出，本发明提供的方案可以明显延长网络寿命，效果显著。
如图5所示，通信要求的信号传输速率越大，中继接收信号用于信息解码的就越多，用于采集能量就越少，通信次数相应减少。从图中可以看出本发明提供的方案下网络寿命受速率值变化的影响较大，因此工程中应因地制宜，选择合适的固定速率。
以上所述仅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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，无线携能通信的通讯网络包括一个源节点S、一个目的节点D和N个DF中继节点，D不在S的广播范围内；信号传输包含两跳信道，
Figure FDA0003181297580000011
表示S到Ri的信道，
Figure FDA0003181297580000012
表示Ri到D的信道；其特征在于：所述传输方案包括如下步骤，
(1)第一时隙，源节点S以固定速率R向中继Ri广播信号，中继通过功率分割器对接收信号进行功率切分，调节功分因子ρi值使第一跳信道容量达到速率要求；满足前述条件的中继集合定义为解码集；
(2)第二时隙，成功解码的中继利用电池和采集的能量向目的节点D转发信号，并调节发射功率使第二跳信道容量达到速率要求；满足前述条件的解码中继集合定义为转发集；
(3)在多中继协作传输的无线携能通信系统中，以系统最大剩余能量为中继选择标准，从转发集中选出一个最佳中继转发；同时，本次传输的剩余能量将作为下一次传输的初始能量；
步骤(3)中，中继选择的具体过程如下，
31)计算信号第k次传输时最佳中继转发所消耗的能量：
Wconsume[k]＝Pi opt[k]T/2，
式中，Pi opt[k]是刚好满足CiD[k]＝R的最佳发射功率；
32)计算信号第次传输时N个中继存储的所有可用能量：
Figure FDA0003181297580000013
33)以最大剩余能量为选择标准：
Figure FDA0003181297580000014
利用中心式策略筛选中继，以目的节点D为中心节点，借助信道的状态信息执行协同节点选择算法，将选中的中继下标存入中心表中同时反馈给中继节点，以便进行中继的能量更新，所述中心式策略是先将所需信号传送到目的端，目的端再使用中继节点选择算法将执行结果返回至源端和相应中继节点处；
34)根据中心表获得最佳中继下标，更新第[k+1]次传输时N个中继的初始储能：
Figure FDA0003181297580000021
2.根据权利要求1所述的基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，其特征在于：步骤(1)中，中继通过功率分割器对接收信号进行功率切分后，接收信号的ρi部分用于信息解码，(1-ρi)部分用于能量采集。
3.根据权利要求2所述的基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，其特征在于：当ρi值为1，即接收信号全用于信息解码时，能使信道容量满足速率要求的中继是可解码的，则解码集
Figure FDA0003181297580000022
其中S-Ri第一跳信道容量
Figure FDA0003181297580000023
SNRSi为Ri的接收信噪比。
4.根据权利要求1所述的基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，其特征在于：步骤(2)中，电池能量与采集能量之和，即中继存储的所有可用能量为
Figure FDA0003181297580000024
其中
Figure FDA0003181297580000025
为中继电池初始能量，
Figure FDA0003181297580000026
为中继电池的储能上限，
Figure FDA0003181297580000027
为中继的采集功率，T表示信号由S传到D的时间。
5.根据权利要求1所述的基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，其特征在于：步骤(2)中，当解码中继以最大功率转发时能使Ri-D信道容量满足速率要求的中继是可转发的，转发集
Figure FDA0003181297580000028
其中Ri-D第二跳信道容量
Figure FDA0003181297580000029
SNRiD为D端接收信噪比，
Figure FDA00031812975800000210
为中继最大发射功率。
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