CN109547132A - 一种基于正交频分复用放大转发双向协作的无线携能通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于正交频分复用放大转发双向协作的无线携能通信方法，在该方法中，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；中继节点利用其收集到的全部能量，在进行子载波配对后放大转发源节点的信息；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，提高了无线通信系统的能量效率。

Description

一种基于正交频分复用放大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，是一种双向传输下无线携能通信技术。

背景技术

无线携能通信技术是能量收集技术和无线通信技术的结合，能够有效提高无线通信系统的信息速率和能量效率。无线携能通信技术通过接收无线射频信号，在接收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。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

针对现有放大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，本发明提供了一种有效降低中继节点设计复杂度的基于正交频分复用放大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放大转发双向协作的无线携能通信方法，无线携能通信系统由源节点S₁和S₂以及中继节点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放大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接收信号，用剩余部分子载波来收集能量；

2)第二时隙，中继节点利用其收集到的能量进行子载波配对后，放大转发源节点S₁和S₂的信息；

中继节点的子载波分配、子载波功率分配以及子载波配对问题建模为：

满足以下条件

其中，ρ＝{ρ_k，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，ρ_k,k'表示子载波配对系数，p_r,k'表示中继在子载波k'上的发送功率，R_s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表示能量转换效率，和分别表示子载波k在S₁→R和S₂→R链路上用于收集能量的功率，|h_1,k|²和|h_2,k|²分别表示子载波k在S₁→R和S₂→R链路上的信道系数，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中继子载波分配、子载波功率分配和子载波配对：

其中，p是一元四次方程的正根，ρ_k，k’＝1表示第一时隙的子载波k与第二时隙的子载波k'进行配对，否则ρ_k，k’＝0，

其中，α表示拉格朗日乘子， |h_1,k'|²和|h_2,k'|²分别表示子载波k'在R→S₁和R→S₂链路上的信道系数，表示子载波k'在接收端接收到的噪声功率，和分别表示子载波k在S₁→R和S₂→R链路上用于信息解码的功率，和按照总功率为P_s进行平均分配，

其中，

进一步，所述步骤1)中，中继节点接收到来自源节点S₁和S₂的能量表示为

再进一步，经过所述步骤2)，源节点S₁和S₂获得的信息速率分别表示为：

源节点S₁和S₂获得的信息总速率表示为：

R_s＝R_s1+R_s2 (19)。

本发明的技术构思为：现有的放大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和能量接收，因此增加了接收端的设计复杂度。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放大转发协作的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发送功率下，信息总速率随中继位置变化的图；

图3是本发明方法收集的能量和用于接收能量的子载波占比随中继位置变化的图。

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～图3，一种基于正交频分复用放大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源节点S₁，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接收信号，用剩余部分子载波来收集能量；第二时隙，中继节点利用其收集到的能量进行子载波配对后，放大转发源节点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的能量表示为：

其中，G₂表示中继节点用于能量接收的子载波集合，ζ表示能量收集转化效率，和分别表示子载波k在S₁→R和S₂→R链路上用于收集能量的功率，|h_1,k|²和|h_2,k|²分别表示子载波k在S₁→R和S₂→R链路上的信道系数，表示子载波k在中继节点上接收源节点信号的噪声方差。

本实施方式中，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：

其中，G₁表示中继节点用于信息接收的子载波集合，ρ_k,k'表示子载波配对系数，和分别表示子载波k在S₁→R和S₂→R链路上用于信息解码的功率，和按照总功率为P_s进行平均分配，|h_1,k'|²和|h_2,k'|²分别表示子载波k'在R→S₁和R→S₂链路上的信道系数，表示子载波k'在接收端接收到的噪声功率。

源节点S₁和S₂获得的信息总速率表示为：

R_s＝R_s1+R_s2 (19)。

中继节点的子载波分配、子载波功率分配以及子载波配对的问题建模为：

满足以下条件

其中，ρ＝{ρ_k，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中继子载波分配、子载波功率分配和子载波配对：

其中，p是一元四次方程的正根，ρ_k，k’＝1表示第一时隙的子载波k与第二时隙的子载波k'进行配对，否则ρ_k，k’＝0，

其中，α表示拉格朗日乘子。

其中，

本实施例的基于正交频分复用放大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，两个源端的距离设置为5m,中继位于S₁和S₂之间，d₁表示中继R和S₁之间的距离，子载波数K＝32，能量转换效率ζ＝1。图2显示了信息总速率随d₁的增大呈现先降后升的趋势；图3显示了本发明方法收集的能量随d₁的增大呈现先减少后增大，而用于接收能量的子载波占比呈现先增大后减少。

Claims (3)

1.一种基于正交频分复用放大转发双向协作的无线携能通信方法，无线携能通信系统由源节点S₁和S₂以及中继节点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放大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接收信号，用剩余部分子载波来收集能量；

2)第二时隙，中继节点利用其收集到的能量进行子载波配对后，放大转发源节点S₁和S₂的信息；

中继节点的子载波分配、子载波功率分配以及子载波配对问题建模为：

满足以下条件

其中，ρ＝{ρ_k,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，ρ_k,k'表示子载波配对系数，p_r,k'表示中继在子载波k'上的发送功率，R_s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表示能量转换效率，和分别表示子载波k在S₁→R和S₂→R链路上用于收集能量的功率，|h_1,k|²和|h_2,k|²分别表示子载波k在S₁→R和S₂→R链路上的信道系数，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中继子载波分配、子载波功率分配和子载波配对：

ρ_k,k'*＝1 (4)

其中，p是一元四次方程a₄p_r,k' ⁴+a₃p_r,k' ³+a₂p_r,k' ²+a₁p_r,k'+a₀＝0的正根，ρ_k,k'＝1表示第一时隙的子载波k与第二时隙的子载波k'进行配对，否则ρ_k,k'＝0，

其中，α表示拉格朗日乘子， |h_1,k'|²和|h_2,k'|²分别表示子载波k'在R→S₁和R→S₂链路上的信道系数，表示子载波k'在接收端接收到的噪声功率，和分别表示子载波k在S₁→R和S₂→R链路上用于信息解码的功率，和按照总功率为P_s进行平均分配，

其中，

2.如权利要求1所述的基于正交频分复用放大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的能量表示为

3.如权利要求1所述的基于正交频分复用放大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获得的信息速率分别表示为：

源节点S₁和S₂获得的信息总速率表示为：

R_s＝R_s1+R_s2 (19)。