CN110086521A - 基于多天线放大转发无线中继通信系统的能量采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对多天线放大转发无线中继通信系统提供了一种低复杂，高性能的能量采集方法，将这种能量采集方法叫做广义切换中继协议，其特征在于，一、结合了时间切换中继协议的低复杂性和功率分割中继协议的优良性能；二、通过增加系统能量采集的时间，从而提高系统采集到的总能量值；三、随着系统采集到的总能量的提高，使分配用于信息传输的能量也相应的增加，从而提高系统遍历保密容量。本发明通过将目标节点协助干扰和能量采集无线通信系统的两种能量采集协议进行优化结合，提供了一种低复杂，高性能的能量采集方法以增加系统采集能量的时间，从而使分配用于信息传输的能量也相应的增加。

Description

基于多天线放大转发无线中继通信系统的能量采集方法

技术领域

本发明涉及多天线放大转发无线中继通信系统的一种低复杂，高性能的能量采集方法，属于通信技术领域。

背景技术

能量采集技术作为一种新型的能量供给技术，可以通过采集通信节点周围环境的能量，如风能、太阳能以及电磁波的能量，并将其转换为电能用于节点的信息处理以及数据传输，受到了广泛的关注。一方面，因能量采集技术可以从周围空间采集能量并加以利用，很大程度上节省了通信系统的能量消耗，达到了绿色通信节能减排的目标；另一方面，该技术可以解决某些通信节点电池更换难度较大的问题，满足了新型能量供给方式的要求。作为一种新兴技术，能量采集具有很大的应用前景。在电力供应比较差的地区，如偏远山区或发生自然灾害的灾区，电力供应设备供应能力有限，能量采集技术可以辅助搭建临时通信系统，很大程度上弥补了通信覆盖漏洞。此外，能量采集技术在无线传感网络中具有广泛应用。在无线传感器网络中，节点数量众多，分布广泛，节点通常用传统蓄电池供电以支持节点进行环境数据监测、数据共享以及数据处理等活动。但因为节点微小且蓄电池容量有限，如何保证通信节点在数月甚至是数年期间稳定的运行是一个重要课题。给数量巨大的传感器节点更换电池需要消耗巨大的人力物力，有时因为节点所处位置，甚至不可能进行电池更换，因此如何节约无线传感器能量消耗或者是提供新型能量供应方式己经成为一个重要的课题。无线能量采集技术允许节点使用可再生能源，如太阳能、风能等进行充电，解决了蓄电池更换的问题，因此具有重要的意义。

能量采集无线通信系统从周围环境中采集清洁的可再生能源并将其转变为电能供信息传输使用。与不使用能量采集技术的传统无线通信系统相比较，其具有如下几点优势：

1)能量采集无线通信系统使用清洁能源代替传统的电能，从根本上解决了无线通信过程中的二氧化碳排放问题，是实现绿色通信的一项重要技术手段；

2)能量采集无线通信系统的能里来自于周围环境，这帮助其摆脱了电网的束缚，使得人们为无电网覆盖的偏远或者环境恶劣地区提供网络服务成为了可能；

3)能量采集无线通信系统的能源是可再生的，因此如果使用能量采集技术替代容量有限的电池来为无线传感网、物联网等等电池供电的系统提供能量，可以帮助其突破电池容量的限制，大大延长网络的整体工作寿命。

基于上述三点优势，能量采集无线通信系统近年来受到了学术界和产业界的广泛关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多天线放大转发无线中继通信系统的一种低复杂，高性能的能量采集方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于多天线放大转发无线中继通信系统的能量采集方法，所述无线中继通信系统包括源节点、目标节点和中继节点，其特征在于，所述能量采集方法包括以下步骤：将总时隙T分成三个不相等的子时隙：子时隙一的时间长度为αT，α为能量采集的时间比，0<α<1，子时隙二的时间长度为(1-α)T/2，子时隙三的时间长度为(1+α)T/2；在子时隙一内，中继节点从接收信号中采集所需的能量；在子时隙二内，中继节点会对接收信号进行功率分割，一部分功率被用于信号处理，而剩余另外一部分功率被用于能量的采集；在子时隙三内，中继节点将利用前面(1+α)T/2时间长度内采集到的总能量对信号进行放大并转发。

优选地，所述中继节点具有多根天线，且中继节点的功率受到了限制，通过从所述源节点和所述目标节点发出的信号中采集能量，然后将该能量用于信号的处理过程；所述无线中继通信系统中除中继节点外的其它节点均只有一根天线。

优选地，所述源节点到所述目标节点的通信过程分为两个阶段，所述源节点和所述目标节点在第一阶段中在同一时间分别向所述中继节点发送信息和干扰信号，并且所述源节点和所述目标节点的发射功率是固定的；所述中继节点复用为能量采集节点，在第二个阶段，所述中继节点只依赖于所采集到的射频能量来对接收的信号进行放大转发，从而实现源节点到目的节点的通信。

优选地，在所述第一个阶段，在所述源节点向所述中继节点发送信息的同时所述目标节点向所述中继节点发送了干扰信号，从而对需要传输的信息进行加扰；在所述第二个阶段，所述中继节点向所述目标节点发送信息完成通信，窃听者同时也在窃听，干扰信号对目标节点是已知的，目标节点能够去除干扰信号，而E窃听者不能够去除干扰信号，从而实现了信息的保密传输。

本发明基于多天线放大转发无线中继通信系统，推广了TSR和PSR协议提出GSR协议来提高能量采集协议的灵活性和增强系统的安全性，运用时间切换因子和功率分割因子双重动态因子来优化系统的性能。该协议使用目标节点辅助干扰和能量收集技术使系统更安全可靠。与TSR协议相比较，GSR协议采集能量的时间多了，从而采集带了更多的能量；与PSR协议相比较，GSR协议分配用于信息传输的能量增加了，这得益于采集能量的时间的增加。最后，GSR协议比TSR和PSR协议提供了更高的遍历保密容量。

附图说明

图1为系统模型；

图2(a)为GSR协议的时间框图；

图2(b)为GSR协议的结构框图；

图3(a)及图3(b)为TSR协议和PSR协议与GSR协议的性能比较。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供的方法通过增加能量采集的时间，从而增加中继节点采集到的总能量，进而分配更多的能量用于信息传输，提高了系统性能。本发明的特征在于，首先，本发明建立了一个由目标节点D协助的干扰和能量采集的系统模型，在这个系统模型中，中继节点R具有多根天线，最重要的是它的功率受到了限制，需要通过从源节点S和目标节点D发出的信号中采集能量，然后将该能量用于信号的处理过程。另外，系统中的其它节点均只有一根天线。这是一个基于两跳中继网络的系统，其中，源节点S、目标节点D和窃听者E都只有一根天线，而中继节点R则具有多根天线。一方面，源节点S和目标节点D在第一阶段中同时分别发送信息和干扰信号，并且它们的发射功率都是固定的；另一方面，这个中继节点R还是一个能量采集节点，它只依赖于所采集到的射频能量来对接收的信号进行放大转发。通过对TSR和PSR的分析，将TSR的低复杂性和PSR的优良性能结合，我们将提出GSR协议，其时间框图如图2(a)及图2(b)所示。该协议的总时隙T被分成了三个不相等的子时隙。在前αT时间内，中继节点R从接收信号中采集所需的能量；在接下来的(1-α)T/2时间内，中继节点R会对接收信号进行功率分裂，它的一部分功率被用于信号处理，而另外一部分功率则被用于能量的采集；在最后的(1-α)T/2时间内，中继节点R将利用前面(1+α)T/2时间内采集到的总能量对信号进行放大并转发。其中，α表示时间切换因子，且它的取值范围为(0,1)；ρ表示功率分割的因子，它的取值范围为(0,1)。η_t为TSR协议能量采集效率因子。η_p为PSR协议能量采集效率因子。P为中继接收到的信号总功率。

具体而言，本发明提到的一种基于多天线放大转发无线中继通信系统的能量采集方法包括以下内容：

第一部分：建立系统模型，分析信道性质，其步骤为：

(1)建立系统模型：

首先建立如图1所示的系统模型，此系统模型主要由单天线的源节点S、目标节点D、窃听者E和多天线的中继节点R组成。整个传输过程分为两个阶段。阶段一，源节点S将会发送信息给中继节点R。与此同时，目标节点D将会发送人工噪声信号给中继节点R，这样做一方面可以为中继提供传输功率，另一方面可以对有效信号加扰从而干扰窃听者E。阶段二，中继节点R运用采集到的能量将信息传输到目标节点D。由于人工噪声信号在目标节点D端是已知的，所以目标节点D可轻易去除接收到信号中的干扰信号，从而得到有效信号，实现信息的安全传输。另外，S和R、R和D、D和E、E和R以及S和E之间的距离分别由d₁、d₂、d₃、d₄和d₅表示，所以该系统模型中信道的路径损耗可表示为i＝1,2,3,4,5。

(2)分析信道

由于实际信道是动态变化的，这样不利于后续定性分析。必须考虑信道状态信息对整个信息传输过程的影响。因此，假设所有的信道都是准静态的块衰落信道，也就是说，信道在时隙T内不会产生变化，不同时隙之间的信道变化服从瑞利分布且是独立同分布的。此外假设：

i)目标节点D无法得知窃听者E的信道状态信息(Channel State Information，CSI)，而窃听者E也不知道任何合法信道的CSI；

ii)中继节点R有合法信道的完整的CSI，即S-R和R-D链路的CSI；

iii)在各节点之间存在完美的对称性，并且目标节点D知道所有的系统参数信息，比如：信道增益和距离。因此，目标节点D总是能够根据系统需要自适应的改变发射干扰信号的功率大小。

另外，由图1可知：h是S到R的信道向量，g和f分别是R到D的前向和后向信道向量，c是D到E的信道向量，e是R到E的信道向量，而q是S到E的信道向量。

第二部分：分析不同协议和解析表达式的推导

对TSR和PSR两种协议进行分析，提出GSR协议

TSR协议的优点在于通过时间切换因子来调节能量采集的时间和信息传输时间来实现源节点和目的节点的安全通信；PSR协议的优点在于运用功率分割因子来调节中继节点对能量采集和信息传输所需要的功率进行合理分割，从而实现更优的系统性能。通过对TSR和PSR协议的分析，结合两种协议的优点，我们提出GSR协议，运用时间切换因子和功率分割因子双重动态因子来优化系统的性能。

遍历保密容量解析式推导

在仔细梳理TSR和PSR两种协议的遍历保密容量的推导过程后，对提出的GSR的遍历保密容量解析式进行类推推导，具体可表示为：

其中和分别表示目的节点保密容量和窃听端保密容量。

第三部分：仿真及结果分析

仿真图3(a)及图3(b)给出了TSR和PSR与GSR的系统性能的比较结果。从图3(a)可以看出，当天线数目N很小时，TSR在α＝0.5时具有较高的遍历保密容量，而GSR此时的遍历保密容量高于TSR；当N很大时，TSR在α＝0.3时具有较高的遍历保密容量，而GSR此时的遍历保密容量仍然高于TSR。同样地，从图3(b)中可得出，当N很小时，PSR在α＝0.7时具有较高的遍历保密容量，而GSR此时的遍历保密容量高于PSR；当N很大时，PSR在α＝0.5时具有较高的遍历保密容量，而GSR此时的遍历保密容量仍然高于PSR。综上所述，GSR的系统性能优于TSR和PSR。

Claims (4)

1.一种基于多天线放大转发无线中继通信系统的能量采集方法，所述无线中继通信系统包括源节点、目标节点和中继节点，其特征在于，所述能量采集方法包括以下步骤：将总时隙T分成三个不相等的子时隙：子时隙一的时间长度为αT，α为能量采集的时间比，0<α<1，子时隙二的时间长度为(1-α)T/2，子时隙三的时间长度为(1+α)T/2；在子时隙一内，中继节点从接收信号中采集所需的能量；在子时隙二内，中继节点会对接收信号进行功率分割，一部分功率被用于信号处理，而剩余另外一部分功率被用于能量的采集；在子时隙三内，中继节点将利用前面(1+α)T/2时间长度内采集到的总能量对信号进行放大并转发。

2.根据权利要求1所述的一种基于多天线放大转发无线中继通信系统的能量采集方法，其特征在于，所述中继节点具有多根天线，且中继节点的功率受到了限制，通过从所述源节点和所述目标节点发出的信号中采集能量，然后将该能量用于信号的处理过程；所述无线中继通信系统中除中继节点外的其它节点均只有一根天线。

3.根据权利要求1所述的一种基于多天线放大转发无线中继通信系统的能量采集方法，其特征在于，所述源节点到所述目标节点的通信过程分为两个阶段，所述源节点和所述目标节点在第一阶段中在同一时间分别向所述中继节点发送信息和干扰信号，并且所述源节点和所述目标节点的发射功率是固定的；所述中继节点复用为能量采集节点，在第二个阶段，所述中继节点只依赖于所采集到的射频能量来对接收的信号进行放大转发，从而实现源节点到目的节点的通信。

4.根据权利要求3所述的一种基于多天线放大转发无线中继通信系统的能量采集方法，其特征在于，在所述第一个阶段，在所述源节点向所述中继节点发送信息的同时所述目标节点向所述中继节点发送了干扰信号，从而对需要传输的信息进行加扰；在所述第二个阶段，所述中继节点向所述目标节点发送信息完成通信，窃听者同时也在窃听，干扰信号对目标节点是已知的，目标节点能够去除干扰信号，而E窃听者不能够去除干扰信号，从而实现了信息的保密传输。