CN109511126A - 一种携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法，用以提高双向中继网络的中断性能，适用于三阶段携能双向中继通信网络。中继网络在传输信号时，中继节点按照某种准则确定功率分离比率，再利用选定的功率分离比率进行能量收集和信息解码。其中，中继节点R配备信息接收机和能量接收机，终端节点配备持续的电源供应。利用本发明，可降低两终端节点间信号传输时的中断概率，从而提高总中断容量的最大值，进而保障通信质量并获得较好传输性能。

Description

一种携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法。

背景技术

现代社会通信需求的飞速增长促进了高效无线通信技术的发展，中继技术就是其中的典型代表。常用的中继节点往往采用半双工模式工作，导致信号的发送与接收无法同时进行，双向信息传输历经四个阶段，从而降低了网络频谱资源的使用率。业界对此存在两种解决思路，一是利用全双工中继代替半双工中继，但是该方法使得中继处自干扰现象严重，同时对节点的处理能力要求过高，实现难度比较大。另一种是双向中继(Two-WayRealy,TWR)技术，两终端节点各自或同时向中继节点发送信号，随后中继节点进行广播，与单向中继相比此技术具有较高的传输效率和信道利用率。

实际应用中，增加中继节点天线数目或配置多个中继节点同时转发信号均可提升无线衰落信道中双向中继网络的传输可靠性。但从资源和成本的角度出发，增加中继节点天线数目提升网络传输性能并不是最优方案。另外，目前通信节点常采用容量十分有限的电池供电，就此而言，不管是有线充电还是更换新电池开销都很大，因此配置多个中继节点同时转发信号的方案有时也不可行。

为保障高效通信且降低节点处能源损耗，应用于中继节点的无线携能通信技术(Simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT)在此背景下应运而生。该技术不仅提升了射频(Radio Frequency，RF)信号利用效率，还减少了自然环境污染，目前针对此技术主要有两种中继协议：时间转换中继(Time Switching-based Relaying，TSR)协议和功率分离中继(Power Splitting-based Relaying，PSR)协议。现有关于PSR协议的研究一般采用对称功率分离传输机制，例如Nguyen Thi Phuoc Van和Syed FarazHasan等人在2017年的IEEE Communication Letters发表的名为“Three-Step Two-WayDecode and Forward Relay With Energy Harvesting”的文章中，研究了三阶段携能双向中继网络中基于对称功率分离传输机制的网络中断性能，该机制下无法根据不同的信道统计特性分别调整两端各自的功率分离比率，因此信号传输的总中断容量有待提升。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法，以降低在PSR中继协议下的三阶段双向中继通信网络的中断概率，从而提高总中断容量的最大值，进而保障通信质量并获得较好传输性能。

本发明一种携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法，所述携能双向中继网络由终端节点A和B(i＝A,B)以及一个中继节点R组成，终端节点A和B处有持续电源供应；中继节点R为配备能量接收机和信息接收机的能量受限节点，针对终端节点A和B有设计非对称功率分离比率λ_A和λ_B(0＜λ_i＜1)；终端节点发送信号时中继节点R收集射频(Radio-Frequency，RF)信号能量，λ_iP_i部分转化为电能存贮在电池中，(1-λ_i)P_i部分作为信息进行解码；在信息传输过程中，中继节点R将收集的能量全部用于信号广播。

本发明以总中断容量最大化为准则设计合适的功率分离比率，总中断容量是指在终端节点A和B通过中继节点R双向通信的过程中，A→R→B方向和B→R→A方向上中断容量之和。假设整个传输块周期T被ρ∈(0,0.5)分为三个阶段，前两个阶段t₁＝t₂＝ρT，终端节点A和B分别向中继节点R发送信号x_A和x_B，第三个阶段t₃＝(1-2ρ)T，中继节点R进行信号广播，终端节点接收后解码各自所需信息。

进一步，所述非对称功率分离比率设计步骤如下：

步骤一，信号在A→R→B方向上传输，求链路上中断容量τ_A→R→B；

步骤二，信号在B→R→A方向上传输，求链路上中断容量τ_B→R→A；

步骤三，构造总中断容量最大化的极值问题f(x)＝-max{τ_A→R→B+τ_B→R→A}；

步骤四，利用算法a(交叉搜索算法)求解步骤三所述极值问题，所得最优解即为所求非对称功率分离比率λ_A和λ_B。

进一步，所述步骤四中的算法a具体包括：

第a1步，数据初始化，将初始值代入算法b(黄金分割算法)得到的初始值，迭代索引k＝1；

第a2步，对于给定的代入算法b以获得τ_A；

第a3步，当给定时，将其代入算法b以获得τ_B；

第a4步，如果|τ_A-τ_B|＜ε₂，输出否则，k＝k+1转第a1步；

进一步，所述算法b具体包括：

第b1步，给出初始搜索区间[a,b]及收敛精度ε₁，令初始值a＝0，b＝1；

第b2步，求λ₁＝a+0.382(b-a),τ₁＝f(λ₁),λ₂＝a+0.618(b-a),τ₂＝f(λ₂)；

第b3步，若τ₁＜τ₂，转(b4)，否则转第b5步；

第b4步，若|b-a|＜ε₁，则终止，输出λ_i＝0.5(a+b),τ_i＝f(λ_i)；否则令b＝λ₂，λ₂＝λ₁,τ₂＝τ₁,λ₁＝a+0.382(b-a),τ₁＝f(λ₁)，转第b3步；

第b5步，若|b-a|＜ε₁，则终止，输出λ_i＝0.5(a+b),τ_i＝f(λ_i)；否则令a＝λ₁，λ₁＝λ₂,τ₁＝τ₂,λ₂＝a+0.618(b-a),τ₂＝f(λ₂)，转第b3步；

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明所述的携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法在信息与能量传输过程中，根据获取的信道统计信息以总中断容量最大化为准则设计非对称功率分离比率λ_A和λ_B，使得双向通信过程中的总中断容量最大，进一步满足了可靠通信的需求，为终端节点间中继节点的部署提供了参考依据。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为三阶段双向携能中继网络传输模型示意图；

图3为三阶段双向携能中继网络传输时隙分配模型的示意图；

图4为本发明中求解非对称功率分离比率λ_A和λ_B的算法流程图；

图5为两端信道统计信息相同时本发明与现有技术的中断性能比较图；

图6为两端信道统计信息不同时本发明与现有技术的中断性能比较图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

本发明中完成信号传输的过程如图1所示，其中，非对称功率分离比率设计步骤如图4所示，具体如下：

步骤一，信号在A→R→B方向上传输，求链路上中断容量；

其中，U为信号传送速率；从i到中继节点R的距离，信道系数及路径损耗为d_i，g_i和α；P是终端节点i的发送功率；η为能量转换效率系数；为终端节点A到中继节点R方向上的信道噪声方差，为中继节点R到终端节点B方向上的信道噪声方差，且γ_th＝2^U-1， 复杂度与精确度之间的折中由参数N决定。

步骤二，信号在B→R→A方向上传输，求链路上中断容量；

其中，U为信号传送速率；从i到中继节点R的距离，信道系数及路径损耗为d_i，g_i和α；P是终端节点i的发送功率；η为能量转换效率系数；为终端节点A到中继节点R方向上的信道噪声方差，为中继节点R到终端节点B方向上的信道噪声方差，且γ_th＝2^U-1， 复杂度与精确度之间的折中由参数决定。

步骤三，构造总中断容量最大化的极值问题；

f(x)＝-τ_Total＝-max{τ_A→R→B+τ_B→R→A}

步骤四，利用算法a(交叉搜索算法)求解步骤三所述极值问题，所得最优解即为所求非对称功率分离比率λ_A和λ_B。

进一步，所述步骤四中的算法a具体包括：

第a1步，数据初始化，将初始值代入算法b(黄金分割算法)得到的初始值，迭代索引k＝1；

第a2步，对于给定的代入算法b以获得τ_A；

第a3步，当给定时，将其代入算法b以获得τ_B；

第a4步，如果|τ_A-τ_B|＜ε₂，输出否则，k＝k+1转第a1步；

进一步，所述算法b具体包括：

第b1步，给出初始搜索区间[a,b]及收敛精度ε₁，令初始值a＝0，b＝1；

第b2步，求λ₁＝a+0.382(b-a),τ₁＝f(λ₁),λ₂＝a+0.618(b-a),τ₂＝f(λ₂)；

第b3步，若τ₁＜τ₂，转(b4)，否则转第b5步；

第b4步，若|b-a|＜ε₁，则终止，输出λ_i＝0.5(a+b),τ_i＝f(λ_i)；否则令b＝λ₂，λ₂＝λ₁,τ₂＝τ₁,λ₁＝a+0.382(b-a),τ₁＝f(λ₁)，转第b3步；

第b5步，若|b-a|＜ε₁，则终止，输出λ_i＝0.5(a+b),τ_i＝f(λ_i)；否则令a＝λ₁，λ₁＝λ₂,τ₁＝τ₂,λ₂＝a+0.618(b-a),τ₂＝f(λ₂)，转第b3步；

下面结合附图对本发明实施方式做进一步详细描述。

如图2所示，本发明使用的三阶段双向通信的SWIPT中继网络，包含终端节点A和B(i＝A,B)以及一个中继节点R，且中继节点R为PSR协议下的能量受限的DF中继，配备RF能量收集装置，能够在终端节点发送信号时解码信息并收集能量，转化为电能存储在电池中；终端节点间需要相互发送信号，但由于两终端节点间的信道经历深衰落，只能通过中继节点R协作传输提高网络传输可靠性。

如图3所示，本发明中整个传输块周期T被ρ∈(0,0.5)分为三个阶段，前两个阶段t₁＝t₂＝ρT，终端节点A和B分别向中继节点R发送信号x_A和x_B，中继节点R接收信号后，λ_iP部分转化为电能存贮在电池中，(1-λ_i)P部分作为信息进行解码，第三个阶段t₃＝(1-2ρ)T，中继节点R将解码后的信息进行再编码，并对信号进行广播，终端节点接收后通过自干扰消除(Self-Interference Cancellation，SIC)技术解码出所需信息。

为验证本发明携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法的性能，进行如下仿真。一些固定参数取值如下P＝1.5，d_A+d_B＝2，η＝1，信噪比中断门限为γ_th＝7。

情况1，考虑两端信道统计信息相同，中继节点R与终端节点距离为d_A＝d_B＝1。图5给出了用现有技术和上面所提方法进行仿真得到的总中断容量随功率分离比率的变化。由图5可知，当g_A与g_B统计特性相同时，采用本方法可达到与现有技术相同的性能。

情况2，考虑两端信道统计信息不同，中继节点R与终端节点距离为图6给出了用现有技术和上面所提方法进行仿真得到的总中断容量随功率分离比率的变化。由图可知，当g_A与g_B统计特性不同时，采用本方法可以获取更优的性能。

因此综上可知，本发明提出的携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法能有效提升携能双向中继网络的中断性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法，其特征在于，所述携能双向中继网络由终端节点A和B(i＝A,B)以及一个中继节点R组成，终端节点A和B处有持续电源供应；中继节点R为配备能量接收机和信息接收机的能量受限节点，针对终端节点A和B有设计非对称功率分离比率λ_A和λ_B(0＜λ_i＜1)；终端节点发送信号时中继节点R收集射频(Radio-Frequency，RF)信号能量，λ_iP_i部分转化为电能存贮在电池中，(1-λ_i)P_i部分作为信息进行解码；在信息传输过程中，中继节点R将收集的能量全部用于信号广播。

所述以总中断容量最大化为准则设计合适的功率分离比率，总中断容量是指在终端节点A和B通过中继节点R双向通信的过程中，A→R→B方向和B→R→A方向上中断容量之和。假设整个传输块周期T被ρ∈(0,0.5)分为三个阶段，前两个阶段t₁＝t₂＝ρT，终端节点A和B分别向中继节点R发送信号x_A和x_B，第三个阶段t₃＝(1-2ρ)T，中继节点R进行信号广播，终端节点接收后解码各自所需信息。

2.如权利要求1所述的携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法，其特征在于，所述非对称功率分离比率的设计具体包括以下步骤：

步骤一，信号在A→R→B方向上传输，求链路上中断容量；

其中，U为信号传送速率；从i到中继节点R的距离，信道系数及路径损耗为d_i，g_i和α；P是终端节点i的发送功率；η为能量转换效率系数；为终端节点A到中继节点R方向上的信道噪声方差，为中继节点R到终端节点B方向上的信道噪声方差，且γ_th＝2^U-1， 复杂度与精确度之间的折中由参数N决定。

步骤二，信号在B→R→A方向上传输，求链路上中断容量；

其中，U为信号传送速率；从i到中继节点R的距离，信道系数及路径损耗为d_i，g_i和α；P是终端节点i的发送功率；η为能量转换效率系数；为终端节点A到中继节点R方向上的信道噪声方差，为中继节点R到终端节点B方向上的信道噪声方差，且γ_th＝2^U-1， 复杂度与精确度之间的折中由参数决定。

步骤三，构造总中断容量最大化的极值问题；

f(x)＝-τ_Total＝-max{τ_A→R→B+τ_B→R→A}

步骤四，利用算法a(交叉搜索算法)求解步骤三所述极值问题，所得最优解即为所求非对称功率分离比率λ_A和λ_B。

3.如权利要求2所述的携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法，其特征在于，所述步骤四中的算法a具体包括：

第a1步，数据初始化，将初始值代入算法b(黄金分割算法)得到的初始值，迭代索引k＝1；

第a2步，对于给定的代入算法b以获得τ_A；

第a3步，当给定时，将其代入算法b以获得τ_B；

第a4步，如果|τ_A-τ_B|＜ε₂，输出否则，k＝k+1转第a1步。

4.如权利要求3所述的携能双向中继网络中的非对称功率分离比率的设计方法，其特征在于所述算法b具体包括：

第b1步，给出初始搜索区间[a,b]及收敛精度ε₁，令初始值a＝0，b＝1；

第b2步，求λ₁＝a+0.382(b-a),τ₁＝f(λ₁),λ₂＝a+0.618(b-a),τ₂＝f(λ₂)；

第b3步，若τ₁＜τ₂，转(b4)，否则转第b5步；

第b4步，若|b-a|＜ε₁，则终止，输出λ_i＝0.5(a+b),τ_i＝f(λ_i)；否则令b＝λ₂，λ₂＝λ₁,τ₂＝τ₁,λ₁＝a+0.382(b-a),τ₁＝f(λ₁)，转第b3步；

第b5步，若|b-a|＜ε₁，则终止，输出λ_i＝0.5(a+b),τ_i＝f(λ_i)；否则令a＝λ₁，λ₁＝λ₂,τ₁＝τ₂,λ₂＝a+0.618(b-a),τ₂＝f(λ₂)，转第b3步。