CN109413748B - 一种基于正交频分复用解码转发双向协作的无线携能通信方法 - Google Patents

一种基于正交频分复用解码转发双向协作的无线携能通信方法 Download PDF

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Abstract

一种基于正交频分复用解码转发双向协作的无线携能通信方法，在该方法中，两个源节点发送信息给中继节点，中继节点用一部分子载波接收信息，用剩余部分子载波来收集能量，然后利用其收集到的全部能量，转发源节点的信息；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，提高无线通信系统的能量效率。

Description

一种基于正交频分复用解码转发双向协作的无线携能通信 方法
技术领域
本发明属于无线通信领域中的无线携能通信技术领域，是一种双向协作传输的无线携能通信方法。
背景技术
无线携能通信技术通过接收周围环境中的无线射频信号，在获取信息的同时进行能量收集，不仅实现了高效可靠的信息通信，而且充分利用了宝贵的能量资源。协作中继技术通过中继节点帮助转发信息，可以有效延长通信传输距离并提高无线通信系统的稳定性。基于双向协作中继的携能通信技术，可以使得中继节点通过接收源节点的无线信号进行信息和能量接收，然后利用收集到的能量转发源节点的信息实现双向传输，可以显著提高系统的信息传输速率和能量效率。然而，受现有技术限制，中继节点通过时间切换和功率分配方法来实现携能通信，需要中继节点配备一个分配器来进行信息解码和能量收集，增加了设计复杂度和成本。
发明内容
针对现有解码转发双向协作无线携能通信方法中中继节点需要额外增加分配器的缺陷，本发明提供一种有效降低中继节点设计复杂度的基于正交频分复用解码转发双向协作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：
一种基于正交频分复用解码转发双向协作的无线携能通信方法，无线携能通信系统由两个源节点S1和S2以及一个中继节点R组成，S1→R链路和S2→R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，所述基于正交频分复用解码转发双向协作的无线携能通信方法包括以下步骤：
1)第一时隙，源节点S1和S2发送信息给中继节点R，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)第二时隙，中继节点使用其收集到的能量利用全部子载波转发源节点S1和S2的信息；
中继节点的子载波分配问题建模为：
Figure BDA0001870001940000021
满足以下条件
Figure BDA0001870001940000022
其中，K＝{1,2,3,...,K}表示源节点的子载波集合，G1和G2分别表示中继节点用于信息和能量接收的子载波集合，pr,k'表示中继节点在子载波k'上的发送功率，按照子载波个数进行平均分配，Rs表示源节点S1和S2通过两个时隙传输后获得的信息总速率，ζ表示中继节点的能量转换效率，
Figure BDA0001870001940000023
和
Figure BDA0001870001940000024
分别表示子载波k在S1→R和S2→R链路上用于收集能量的功率，|h1,k|2和|h2,k|2分别表示子载波k在S1→R和S2→R链路上的信道系数，
Figure BDA0001870001940000025
表示子载波k在中继节点上接收到的噪声功率；
通过拉格朗日对偶分解方法获得最优子载波分配：
Figure BDA0001870001940000026
G2 *＝K-G1 * (4)
其中
Figure BDA0001870001940000027
其中，α1，α2和α3表示拉格朗日乘子，
Figure BDA0001870001940000031
Figure BDA0001870001940000032
其中，
Figure BDA0001870001940000033
Figure BDA0001870001940000034
和
Figure BDA0001870001940000035
分别表示子载波k在S1→R和S2→R链路上用于信息解码的功率，
Figure BDA0001870001940000036
和
Figure BDA0001870001940000037
以Ps为总功率按照注水算法进行分配。
进一步，所述步骤1)中，中继节点接收到来自源节点S1和S2的信息速率分别表示为
Figure BDA0001870001940000038
Figure BDA0001870001940000039
中继节点接收到来自源节点S1和S2的能量表示为
Figure BDA00018700019400000310
再进一步，所述步骤2)中，源节点S1和S2接收到来自中继节点的信息速率分别表示为
Figure BDA00018700019400000311
Figure BDA00018700019400000312
其中，
Figure BDA00018700019400000313
|h1,k'|2和|h2,k'|2分别表示子载波k'在R→S1和R→S2链路上的信道系数，
Figure BDA00018700019400000314
表示子载波k'在中继节点上接收到的噪声功率；
通过两个时隙的传输，源节点S1和S2获得的信息速率分别表示为：
Rs1＝min(Rs1R,RRs2) (13)
Rs2＝min(Rs2R,RRs1) (14)
源节点S1和S2获得的信息总速率表示为：
Rs＝Rs1+Rs2 (15)。
本发明的技术构思为：现有的解码转发双向协作无线携能通信方法需要在中继节点额外增加分配器来进行信息解码和能量接收，因此增加了中继节点的设计复杂度。本专利方法中，中继节点分别使用不同的子载波进行信息接收和能量收集，不再需要增加分配器，能够有效降低设备的设计复杂度。
本发明的有益效果主要表现在：中继节点不需要增加分配器，降低了中继节点的设计复杂度。
附图说明
图1是本发明方法的基于正交频分复用解码转发双向协作的无线携能通信方法系统模型示意图，其中S1和S2为源节点，R为中继节点；
图2是本发明方法在不同中继位置条件下，信息总速率随传输总功率Ps的变化情况。
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2，一种基于正交频分复用解码转发双向协作的无线携能通信方法，是基于现有的无线通信系统实现的，所述无线携能通信系统由由两个源节点S1和S2和中继节点R组成，S1→R链路和S2→R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。
本实施方式的方法中，第一时隙，源节点S1和S2发送信息给中继节点R，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；第二时隙，中继节点使用其收集到的能量利用全部子载波转发源节点S1和S2的信息。
本实施方式中中继节点接收到来自源节点S1和S2的信息速率分别表示为
Figure BDA0001870001940000051
Figure BDA0001870001940000052
其中，G1表示中继节点用于信息接收的子载波集合，
Figure BDA0001870001940000053
Figure BDA0001870001940000054
其中，
Figure BDA0001870001940000055
|h1,k|2和|h2,k|2分别表示子载波k在S1→R和S2→R链路上的信道系数，
Figure BDA0001870001940000056
表示子载波k在中继节点上接收到的噪声功率，
Figure BDA0001870001940000057
和
Figure BDA0001870001940000058
分别表示子载波k在S1→R和S2→R链路上用于信息解码的功率。
中继节点接收到来自源节点S1和S2的能量表示为
Figure BDA0001870001940000059
其中，G2表示中继节点用于能量接收的子载波集合，ζ表示中继节点的能量转换效率，
Figure BDA00018700019400000510
和
Figure BDA00018700019400000511
分别表示子载波k在S1→R和S2→R链路上用于收集能量的功率，
Figure BDA0001870001940000061
和
Figure BDA0001870001940000062
以Ps为总功率按照注水算法进行分配。
源节点S1和S2接收到来自中继节点的信息速率分别表示为
Figure BDA0001870001940000063
Figure BDA0001870001940000064
其中，pr,k'表示中继节点在子载波k'上的发送功率，按照子载波个数进行平均分配，其中，
Figure BDA0001870001940000065
|h1,k'|2和|h2,k'|2分别表示子载波k'在R→S1和R→S2链路上的信道系数，
Figure BDA0001870001940000066
表示子载波k'在接收端接收到的噪声功率。
通过两个时隙的传输，源节点S1和S2获得的信息速率分别表示为：
Rs1＝min(Rs1R,RRs2) (13)
Rs2＝min(Rs2R,RRs1) (14)
源节点S1和S2获得的信息总速率表示为：
Rs＝Rs1+Rs2 (15)。
中继节点的子载波分配问题建模为：
Figure BDA0001870001940000067
满足以下条件
Figure BDA0001870001940000068
其中，K＝{1,2,3,...,K}表示源节点的子载波集合。
通过拉格朗日对偶分解方法获得最优子载波分配：
Figure BDA0001870001940000069
G2 *＝K-G1 * (4)
其中
Figure BDA0001870001940000071
其中，α1，α2和α3表示拉格朗日乘子。
本实施例的基于正交频分复用解码转发双向协作的携能通信方法能够有效降低中继节点的设计复杂度，提高无线通信系统的能量效率。
本实施例的双向协作无线携能通信方法中，中继节点使用G1中的子载波进行信息接收，使用G2中的子载波进行能量收集，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，所以不用在中继节点增加分配器，能够有效降低接收端的设计复杂度。
在本实施方式中，源节点S1和S2的距离设置为4m,中继节点位于S1和S2之间,d1表示中继节点与源节点S1的距离。子载波个数K＝32，能量转换效率ζ＝1。图2显示了信息总速率随传输功率的增加而增大。

Claims (3)

1.一种基于正交频分复用解码转发双向协作的无线携能通信方法，无线携能通信系统由两个源节点S1和S2以及一个中继节点R组成，S1→R链路和S2→R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：所述基于正交频分复用解码转发双向协作的无线携能通信方法包括以下步骤：
1)第一时隙，源节点S1和S2发送信息给中继节点R，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)第二时隙，中继节点使用其收集到的能量利用全部子载波转发源节点S1和S2的信息；
中继节点的子载波分配问题建模为：
Figure FDA0001870001930000011
满足以下条件
Figure FDA0001870001930000012
其中，K＝{1,2,3,...,K}表示源节点的子载波集合，G1和G2分别表示中继节点用于信息和能量接收的子载波集合，pr,k'表示中继节点在子载波k'上的发送功率，按照子载波个数进行平均分配，Rs表示源节点S1和S2通过两个时隙传输后获得的信息总速率，ζ表示中继节点的能量转换效率，
Figure FDA0001870001930000013
和
Figure FDA0001870001930000014
分别表示子载波k在S1→R和S2→R链路上用于收集能量的功率，|h1,k|2和|h2,k|2分别表示子载波k在S1→R和S2→R链路上的信道系数，
Figure FDA0001870001930000015
表示子载波k在中继节点上接收到的噪声功率；
通过拉格朗日对偶分解方法获得最优子载波分配：
Figure FDA0001870001930000016
G2 *＝K-G1 * (4)
其中
Figure FDA0001870001930000021
其中，α1，α2和α3表示拉格朗日乘子，
Figure FDA0001870001930000022
Figure FDA0001870001930000023
其中，
Figure FDA0001870001930000024
Figure FDA0001870001930000025
和
Figure FDA0001870001930000026
分别表示子载波k在S1→R和S2→R链路上用于信息解码的功率，
Figure FDA0001870001930000027
和
Figure FDA0001870001930000028
以Ps为总功率按照注水算法进行分配。
2.如权利要求1所述的基于正交频分复用解码转发双向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S1和S2的信息速率分别表示为
Figure FDA0001870001930000029
Figure FDA00018700019300000210
中继节点接收到来自源节点S1和S2的能量表示为
Figure FDA00018700019300000211
3.如权利要求1所述的基于正交频分复用解码转发双向协作的无线 携能通信方法，其特征在于：所述步骤2)中，源节点S1和S2接收到来自中继节点的信息速率分别表示为
Figure FDA0001870001930000031
Figure FDA0001870001930000032
其中，
Figure FDA0001870001930000033
|h1,k'|2和|h2,k'|2分别表示子载波k'在R→S1和R→S2链路上的信道系数，
Figure FDA0001870001930000034
表示子载波k'在中继节点上接收到的噪声功率；
通过两个时隙的传输，源节点S1和S2获得的信息速率分别表示为：
Rs1＝min(Rs1R,RRs2) (13)
Rs2＝min(Rs2R,RRs1) (14)
源节点S1和S2获得的信息总速率表示为：
Rs＝Rs1+Rs2 (15)。
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