CN110191513A - 一种面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线通信技术领域的一种面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法，旨在解决现有技术中携能多中继网络无法在提高能量采集效率的同时，改善信道传输容量的技术问题。所述方法包括如下步骤：获取瞬时信道状态信息，建立能量分配因子和最优预编码矩阵；中继节点基于PS协议采集能量、根据能量分配因子分配能量；中继节点基于最优预编码矩阵将预编码后的信息发送给目的节点；根据目的节点接收信息，获取源节点到目的节点的信道遍历容量；通过使信道遍历容量最大化计算出最优能量分配因子。

Description

一种面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法

技术领域

本发明涉及一种面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线协作通信技术作为一项新出现的无线通信技术，因具有诸多优点已经成为了生活中必不可少的因素，但在使用过程中仍存在一些实际问题，特别是中继选择问题和中继节点能量分配不合理问题。为此，在携能多中继网络中，选择多个能成功解码的中继，中继通过从传输信号中获得能量，再将能量根据能量分配因子进行分配，并利用所获得的能量来转发信息，从而解决因传输能量受限而导致中断信号传输的问题。对于装有能量采集器的无线中继来说，其可以从自身接收到的无线电信号中采集能量，通常也称之为携能无线中继。在能量采集中继网络中，有两种典型的能量采集协议，分别为时隙交换协议(Time-Switching，简称TS协议)和功率分割协议(Power-Splitting，简称PS协议)。时隙交换协议是指将一个时隙分成两部分，一部分时间用来采集能量，另一部分时间用来发送信息；功率分割协议是指将中继接收到的信号能量分成两部分，一部分能量存储下来用来转发信息，另一部分能量用来处理信息。

在传统的通信系统中，用户多采用单中继进行通信。现代通信系统则广泛采用多中继技术，通过使用多中继可以提高信息传输速率和信道容量。但现有的多中继中无法在提高能量采集效率的同时，改善信道传输容量，使得中继在能量分配上存在局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法，包括如下步骤：

获取瞬时信道状态信息，建立能量分配因子和最优预编码矩阵；

中继节点基于PS协议采集能量、根据能量分配因子分配能量；

中继节点基于最优预编码矩阵将预编码后的信息发送给目的节点；

根据目的节点接收信息，获取源节点到目的节点的信道遍历容量；

通过使信道遍历容量最大化计算出最优能量分配因子。

进一步地，瞬时信道状态信息包括瞬时信道衰落系数，瞬时信道衰落系数包括源节点到中继节点的瞬时信道衰落系数和中继节点到目的节点的瞬时信道衰落系数。

进一步地，最优预编码矩阵的运算公式包括：

其中，w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T，且||w||²＝1，

式中，W为最优预编码矩阵，H_d为信道状态信息矩阵，*为共轭运算，N为能成功解码并转发源节点信息的中继节点数量，w₁为第一个能成功解码并转发源节点信息的中继节点预编码系数，w_N为第N个能成功解码并转发源节点信息的中继节点预编码系数，T为转置运算，h_s1为源节点到第一个能成功解码并转发源节点信息的中继节点的瞬时信道衰落系数，h_1d为第一个能成功解码并转发源节点信息的中继节点到目的节点的瞬时信道衰落系数，h_sN为源节点到第N个能成功解码并转发源节点信息的中继节点的瞬时信道衰落系数，h_Nd为第N个能成功解码并转发源节点信息的中继节点到目的节点的瞬时信道衰落系数，ρ₁为第一个能成功解码并转发源节点信息的中继节点的能量分配因子，ρ_N为第N个能成功解码并转发源节点信息的中继节点的能量分配因子。

进一步地，根据目的节点接收信息，获取源节点到目的节点的信道遍历容量，包括：

根据最优预编码矩阵，获取中继节点到目的节点的最大信噪比；

根据中继节点到目的节点的最大信噪比，获取中继节点到目的节点的信道容量；

计算中继节点到目的节点的信道容量小于信息传输速率的概率，获取源节点到目的节点的信道遍历容量。

进一步地，中继节点到目的节点的最大信噪比的运算公式包括：

式中，r_d为中继节点到目的节点的最大信噪比，P为源节点信息的发送功率，N₀为噪声功率。

进一步地，中继节点到目的节点的信道容量的运算公式包括：

式中，C_d为中继节点到目的节点的信道容量，P为源节点信息的发送功率，N₀为噪声功率。

进一步地，源节点到目的节点的信道遍历容量的运算公式包括：

式中，为源节点到目的节点的信道遍历容量，D_n为能成功解码并转发源节点信息的中继节点的集合，为不能成功解码并转发源节点信息的中继节点的集合，P为源节点信息的发送功率，R为信息传输速率，η为能量转换效率。

进一步地，通过使信道遍历容量最大化计算出最优能量分配因子，包括：

通过一维搜索方法仿真，使得源节点到目的节点的信道遍历容量最大；

获得最优能量分配因子。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：采用了PS协议，结合多中继选择，通过获取信道中能量分配因子，将中继采集的能量进行分配；通过使系统遍历容量达到最大，可以得到在中继节点处能量的最优分配因子；计算最大信道容量时，终端只需要利用统计信道瞬时状态信息以及中继节点处的能量转换效率，在实际无线通信系统中具有较好的应用前景。

附图说明

图1是本发明方法采用的系统模型图；

图2是本发明方法的基本流程图；

图3是中继节点天线数目和能量分配因子对遍历容量的影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，是本发明方法采用的系统模型图，携能多中继网络，包括一个源节点、若干中继节点和一个目的节点。

如图2所示，是本发明方法的基本流程图，一种面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法，包括如下步骤：

步骤一，获取瞬时信道状态信息，建立能量分配因子；

瞬时信道状态信息包括：源节点到中继节点的瞬时信道衰落系数、中继节点到目的节点的瞬时信道衰落系数。

步骤二，源节点将信息发送给所有的中继节点，选择出能成功解码并转发源节点信息的中继节点。

步骤三，能成功解码并转发源节点信息的中继节点基于PS协议采集能量，根据能量分配因子将所采集能量分成两部分，一部分用于解码其接收到的源节点信息，另一部分用于转发解码后的源节点信息。

步骤四，能成功解码并转发源节点信息的中继节点针对待转发的源节点信息进行预编码，并将预编码后的源节点信息发送给目的节点；

中继节点到目的节点的信噪比为：根据柯西—施瓦兹不等式有：当且仅当时，中继节点到目的节点的信噪比最大，即：

因此，最优预编码矩阵如下：

其中，w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T，且||w||²＝1，

式中，W为预编码矩阵，H_d为信道状态信息矩阵，*为共轭运算，N为能成功解码并转发源节点信息的中继节点数量，w₁为第一个能成功解码并转发源节点信息的中继节点预编码系数，w_N为第N个能成功解码并转发源节点信息的中继节点预编码系数，T为转置运算，h_s1为源节点到第一个能成功解码并转发源节点信息的中继节点的瞬时信道衰落系数，h_1d为第一个能成功解码并转发源节点信息的中继节点到目的节点的瞬时信道衰落系数，h_sN为源节点到第N个能成功解码并转发源节点信息的中继节点的瞬时信道衰落系数，h_Nd为第N个能成功解码并转发源节点信息的中继节点到目的节点的瞬时信道衰落系数，ρ₁为第一个能成功解码并转发源节点信息的中继节点的能量分配因子，ρ_N为第N个能成功解码并转发源节点信息的中继节点的能量分配因子，r_d为中继节点到目的节点的信噪比，P为源节点信息的发送功率，N₀为噪声功率。

步骤五，目的节点接收到来自中继节点所发送的信息，并计算获得源节点到目的节点的信道遍历容量；

按最优预编码矩阵预编码，将预编码后的源节点信息发送给目的节点，则中继节点到目的节点的信噪比最大，即：

根据中继节点到目的节点的最大信噪比，获取中继节点到目的节点的信道容量为：

式中，C_d为中继节点到目的节点的信道容量；

计算中继节点到目的节点的信道容量小于信息传输速率的概率，获取源节点到目的节点的信道遍历容量如下：

式中，为源节点到目的节点的信道遍历容量，D_n为能成功解码并转发源节点信息的中继节点的集合，为不能成功解码并转发源节点信息的中继节点的集合，η为能量转换效率，R为信息传输速率，当信道遍历容量大于R时，中继节点能成功传输信息到目的节点。

步骤六，通过使信道遍历容量最大化计算出最优能量分配因子；

可通过一维搜索方法仿真，使得源节点到目的节点的信道遍历容量最大，获得最优能量分配因子，具体步骤如下：

Step1：确定仿真能量分配因子x的搜索范围[a,b]，其中a＝0,b＝1；

Step2：确定收敛精度ε＝0.001；

Step3：令x₂＝a+0.618(b-a)，f₂＝f(x₂)，转Step4，其中f₂代表能量分配因子为x₂时的遍历容量；

Step4：令x₁＝a+0.382(b-a)，f₁＝f(x₁)，转Step5，其中f₁代表能量分配因子为x₁时的遍历容量；

Step5：若|b-a|≤ε，则停，否则转Step6；

Step6：若f₁<f₂，则b＝x₂，x₂＝x₁，f₂＝f₁，转Step4；

若f₁＝f₂，则a＝x₁，b＝x₂，转Step3；

若f₁＞f₂，则a＝x₁，x₁＝x₂，f₁＝f₂，转Step7；

Step7：令x₂＝a+0.618(b-a)，f₂＝f(x₂)，转Step5。

采用一维搜索方法所获最优能量分配因子和遍历容量，如表1所示。

表1：采用一维搜索方法所获最优能量分配因子和遍历容量

步骤七，传输结束进入下一个时隙，重新执行步骤一。

如图3所示，是中继节点天线数目和能量分配因子对遍历容量的影响示意图，可以看出，随着中继节点个数增加，最大遍历容量逐渐变大，最优能量分配因子逐渐变小。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法，其特征是，包括如下步骤：

获取瞬时信道状态信息，建立能量分配因子和最优预编码矩阵；

中继节点基于PS协议采集能量、根据能量分配因子分配能量；

中继节点基于最优预编码矩阵将预编码后的信息发送给目的节点；

根据目的节点接收信息，获取源节点到目的节点的信道遍历容量；

通过使信道遍历容量最大化计算出最优能量分配因子。

2.根据权利要求1所述的面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法，其特征是，瞬时信道状态信息包括瞬时信道衰落系数，瞬时信道衰落系数包括源节点到中继节点的瞬时信道衰落系数和中继节点到目的节点的瞬时信道衰落系数。

3.根据权利要求2所述的面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法，其特征是，最优预编码矩阵的运算公式包括：

其中，w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T，且||w||²＝1，

式中，W为最优预编码矩阵，H_d为信道状态信息矩阵，*为共轭运算，N为能成功解码并转发源节点信息的中继节点数量，w₁为第一个能成功解码并转发源节点信息的中继节点预编码系数，w_N为第N个能成功解码并转发源节点信息的中继节点预编码系数，T为转置运算，h_s1为源节点到第一个能成功解码并转发源节点信息的中继节点的瞬时信道衰落系数，h_1d为第一个能成功解码并转发源节点信息的中继节点到目的节点的瞬时信道衰落系数，h_sN为源节点到第N个能成功解码并转发源节点信息的中继节点的瞬时信道衰落系数，h_Nd为第N个能成功解码并转发源节点信息的中继节点到目的节点的瞬时信道衰落系数，ρ₁为第一个能成功解码并转发源节点信息的中继节点的能量分配因子，ρ_N为第N个能成功解码并转发源节点信息的中继节点的能量分配因子。

4.根据权利要求3所述的面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法，其特征是，根据目的节点接收信息，获取源节点到目的节点的信道遍历容量，包括：

根据最优预编码矩阵，获取中继节点到目的节点的最大信噪比；

根据中继节点到目的节点的最大信噪比，获取中继节点到目的节点的信道容量；

计算中继节点到目的节点的信道容量小于信息传输速率的概率，获取源节点到目的节点的信道遍历容量。

5.根据权利要求4所述的面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法，其特征是，中继节点到目的节点的最大信噪比的运算公式包括：

式中，r_d为中继节点到目的节点的最大信噪比，P为源节点信息的发送功率，N₀为噪声功率。

6.根据权利要求4所述的面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法，其特征是，中继节点到目的节点的信道容量的运算公式包括：

式中，C_d为中继节点到目的节点的信道容量，P为源节点信息的发送功率，N₀为噪声功率。

7.根据权利要求4所述的面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法，其特征是，源节点到目的节点的信道遍历容量的运算公式包括：

式中，为源节点到目的节点的信道遍历容量，D_n为能成功解码并转发源节点信息的中继节点的集合，为不能成功解码并转发源节点信息的中继节点的集合，P为源节点信息的发送功率，R为信息传输速率，η为能量转换效率。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的面向携能多中继网络的能量分配因子优化方法，其特征是，通过使信道遍历容量最大化计算出最优能量分配因子，包括：

通过一维搜索方法仿真，使得源节点到目的节点的信道遍历容量最大；

获得最优能量分配因子。