CN110278019B - 基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法，包括：获取目的端接收的信息和对应的第一信噪比；选择中继的接收天线和发送天线；获取第一时隙αT内，中继收到的信号；获取在第二时隙(1‑α)T内，当源信息通过中继传输时，中继收到的信号；获取在第二时隙(1‑α)T内，当源信息通过中继传输时，目的端接收的信息及对应的第二信噪比；目的端采用最大比合并技术，合并来自中继和源的信息后，对所述第一信噪比和所述第二信噪比求和获得目的端的接收信噪比；基于目的端的接收信噪比，获取所述系统的瞬时安全容量及系统吞吐量。本发明的同时同频全双工技术能够将无线资源的使用效率提升近一倍，从而显著提高系统吞吐量和容量。

Description

基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法。

背景技术

当中继节点是能量受限节点时，即中继没有稳定的能量来源，或者说能量来源不持续时，中继节点就很容易中断。考虑到能量采集技术的快速发展和射频信号易于采集，如果中继节点能够采集无线射频信号，就可以延长无线网络的使用寿命。最近同步无线信息和功率传输(simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT)被提出来，并得到广泛应用。但是传统SWIPT系统，中继接收机仅配备单天线，工作在半双工模式下的中继对接收信号进行能量采集和信息接收，此种情况效率不高并且当采集的能量不足达到转发信息所需的能量时，中继就有可能中断，这时信息传输就会终止。此外，还有中继处配备多天线，采用全双工技术转发信息，然而，较大的中继自干扰会严重影响系统的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法，中继节点工作在同时同频全双工模式下，采用天线自干扰最小化的方法，减少传统双工模式中频率或时隙资源的开销，从而达到提高频谱效率的目的；与现有的FDD或TDD双工方式相比，同时同频全双工技术能够将无线资源的使用效率提升近一倍，从而显著提高系统吞吐量和容量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法，基于时间切换能量采集的全双工放大转发协作中继传输系统，所述系统包括一个源S、一个全双工中继R和一个目的端D，源节点和目的端节点配置单根天线，中继节点配置多根天线；在一个时间块T内，源通过直达链路传输信息到目的端；在第一时隙αT内，中继进行能量采集；第二时隙(1-α)T内，中继接收源信息的同时，放大转发源信息到目的端；全双工能量采集中继传输方法包括：

获取目的端接收的信息和对应的第一信噪比；

选择中继的接收天线和发送天线；

基于选择的接收天线，获取第一时隙αT内，中继收到的信号；

基于选择的接收天线，获取在第二时隙(1-α)T内，当源信息通过中继传输时，中继收到的信号；

基于选择的发送天线，获取在第二时隙(1-α)T内，当源信息通过中继传输时，目的端接收的信息及对应的第二信噪比；

目的端采用最大比合并技术，合并来自中继和源的信息后，对所述第一信噪比和所述第二信噪比求和获得目的端的接收信噪比；

基于目的端的接收信噪比，获取所述系统的瞬时安全容量及系统吞吐量。

优选的，所述获取目的端接收的信息和对应的第一信噪比，具体包括：

在整个时间块T内，源通过直达链路直接传输信息到目的端，此时目的端接收的信息为：

对应的第一信噪比获取方式如下：

其中，P_S表示源传输功率；d_SD表示源和目的端之间的距离，m表示路径损耗指数；h_SD表示源和目的端之间的信道参数；x_S表示节点S发送的信号；n_D表示目的端接收到均值为0方差为N₀的加性高斯白噪声。

优选的，通过如下方式选择中继的接收天线和发送天线：

其中，i表示中继用于接收信息的第i根天线，j表示中继用于发送信息的第j根天线；h_RR,i,j表示中继节点R自干扰信道的信道参数；N表示配置的天线根数；i^*表示按照天线选择准则

选择出来的中继的接收天线；j^*表示按照天线选择准则

选择出来的中继的发送天线。

优选的，基于选择的接收天线，获取第一时隙αT内，中继收到的信号，具体如下：

其中，d_SR表示源和中继之间的距离；h_SR表示源和中继之间的信道参数；n_R表示中继接收到均值为0方差为N₀的加性高斯白噪声。

优选的，基于选择的接收天线，获取在第二时隙(1-α)T内，当源信息通过中继传输时，中继收到的信号，具体如下：

其中，P_R表示第二时隙内发送功率，

b＝ηα/(1-α)，η表示能量采集效率(0<η<1)；x_R是中继放大转发的信息；h_RR表示中继节点R自干扰信道的信道参数。

优选的，基于选择的发送天线，获取在第二时隙(1-α)T内，当源信息通过中继传输时，目的端接收的信息及对应的第二信噪比，具体包括：

获取目的端接收的信息，如下：

其中，d_RD表示中继和目的端之间的距离；h_RD表示中继和目的端之间的信道参数；n_D表示目的端接收到均值为0方差为N₀的加性高斯白噪声；

对应的第二信噪比获取方式如下：

优选的，目的端采用最大比合并技术，合并来自中继和源节点的信息后，对所述第一信噪比和所述第二信噪比求和获得目的端的接收信噪比γ_D，具体为：

γ_D＝γ_D1+γ_D2

优选的，基于目的端的接收信噪比，获取所述系统的瞬时安全容量及系统吞吐量，具体包括：

获取所述系统的瞬时安全容量，如下：

C_S＝[C_D]⁺

其中，

[CD]⁺表示max(C_D,0)；

由此，可得遍历安全速率表示为

表示求均值；

在延迟受限传输模式下，由于无线信道是随机衰落的，中继传输会中断，P_out＝Pr(γ_D<γ_th)表示系统的中断概率，Pr表示γ_D<γ_th的概率；R_S表示源发送速率，

表示目的端信噪比阈值，系统吞吐量可以表示如下：

τ＝(1-α)(1-P_out)R_S。

优选的，基于目的端的接收信噪比，获取所述系统的瞬时安全容量及系统吞吐量，具体包括：

获取所述系统的瞬时安全容量，如下：

C_S＝[C_D]⁺

其中，

[CD]⁺表示max(C_D,0)；

由此，可得遍历安全速率表示为

表示求均值；

在延迟容忍传输模式下，吞吐量作为评价传输系统安全性的有效指标，表示如下：

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明一种基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法，中继节点工作在同时同频全双工模式下，采用天线自干扰最小化的方法，减少传统双工模式中频率或时隙资源的开销，从而达到提高频谱效率的目的；与现有的FDD或TDD双工方式相比，同时同频全双工技术能够将无线资源的使用效率提升近一倍，从而显著提高系统吞吐量和容量，是蜂窝移动通信和5G通信的潜在技术，采用的中继天线选择收发机结构和基于时间切换能量采集的目的节点最大比合并技术的研究对5G实际系统设计具有重要的指导意义；

(2)本发明一种基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法，中继自干扰比较大时，考虑中继同时选择收发天线使得自干扰信道的信道增益最小化，从而最大化全双工技术带来的系统增益；与基于时间切换的能量采集技术相结合，实现能量自补给，无需外界供能，提高整个系统的使用寿命；

(3)本发明一种基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法，考虑到能量采集效率不高并且当采集的能量不足达到转发信息所需的能量时，中继可能中断，因此，基于源和目的端之间存在直达链路，目的节点采用最大比合并技术以最大化目的节点接收信噪比，通过优化时间切换因子和能量采集因子，可以最大化系统吞吐量性能。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明的系统结构模型图；

图2为本发明的传输时间块结构示意图；

图3为延迟受限模式下，吞吐量随源发送功率P_S的变化情况；

图4延迟容忍模式下，吞吐量随源发送功率P_S的变化情况。

具体实施方式

参见图1和图2所示，本发明提出一种基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法，基于时间切换能量采集的全双工放大转发协作中继传输系统，所述系统包括一个源S、一个全双工中继R和一个目的端D，源节点和目的端节点配置单根天线，中继节点配置多根天线；在一个时间块T内，源都可以通过直达链路传输信息到目的端。与此同时，T根据时间切换比α被分成两个不同的时隙，第一时隙αT内，中继节点进行能量采集。第二时隙(1-α)T内，全双工中继接收源信息的同时，放大转发源信息到目的端。

需要说明的是，本发明中，所有信道从一个时间块到另一个时间块之间是遵循独立同分布准静止瑞利块衰落的,在每一个传输时间块T内，信道增益是一个常数。

一种基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法，具体包括：

(1)直达链路传输

由图1和图2可知，在整个时间块T内，源都可以通过直达链路直接传输信息到目的端。所以，此时目的端接收的信息和对应的信噪比(第一信噪比)分别为：

其中，P_S表示源传输功率；d_SD表示源和目的端之间的距离，m表示路径损耗指数；h_SD表示源和目的端之间的信道参数；x_S表示节点S发送的信号；n_D表示目的端接收到均值为0方差为N₀的加性高斯白噪声。

(2)天线选择方案

考虑到全双工系统中继自干扰的存在以及自干扰抑制技术的发展，可知自干扰是可以被抑制到噪声水平的。并且，考虑中继节点配备大规模天线，为了尽量减少中继的环路自干扰，中继同时选择收发天线。即：

其中，i表示中继用于接收信息的第i根天线，j表示中继用于发送信息的第j根天线；h_RR,i,j表示中继节点R自干扰信道的信道参数；N表示配置的天线根数；i^*表示按照天线选择准则

选择出来的中继的接收天线；j^*表示按照天线选择准则

选择出来的中继的发送天线。

(3)能量采集

如图1和图2所示，第一时隙αT内，中继通过在N个天线中任选一根进行能量采集，中继收到的信号是：

其中，

是对X求均值，|·|是绝对值运算符。已知，中继接收到的噪声功率强度远远小于接收的信息功率强度，故忽略噪声功率。那么，在第一时隙αT内采集的能量是：

其中，η表示能量采集效率(0<η<1)，所以，在第二时隙内发送功率是：

其中，b＝ηα/(1-α)。

(4)信息传输

在第二时隙(1-α)T内，当源信息通过中继传输时，中继收到的信号是：

其中，x_R是中继放大转发的信息，

x_R＝Gy_SR2，

能量约束因子

可以保证中继用于信息传输的能量消耗低于中继采集的能量，从而确保中继能够正常传输信息而不至于中断；h_RR表示中继节点R自干扰信道的信道参数。目的节点接收的信息是：

本发明中继采用放大转发协议，在求解目的端信噪比时，考虑中继处的噪声。那么，此时目的端的信噪比(第二信噪比)为：

目的端采用最大比合并技术，合并来自中继节点和源节点的信息后，为最大化目的端接收信噪比，目的端节点的接收信噪比是两路信噪比之和，即：γ_D＝γ_D1+γ_D2。

(5)吞吐量分析

基于以上分析和数值结果，源和目的端之间存在直达链路时，系统的瞬时安全速率表示为C_S＝[C_D]⁺；

[C_D]⁺表示max(C_D,0)。由此，可得遍历安全速率表示为

表示求均值。

在延迟受限传输模式下，由于无线信道是随机衰落的，中继传输可能会中断，P_out＝Pr(γ_D<γ_th)表示系统的中断概率，Pr表示γ_D<γ_th的概率；R_S表示源发送速率，

表示目的端信噪比阈值，系统吞吐量可以表示为：τ＝(1-α)(1-P_out)R_S。

在延迟容忍传输模式下，吞吐量作为评价传输系统安全性的有效指标，表示为：

参见图3和图4所示，分别考虑了在延迟受限传输模式和延迟容忍传输模式下，系统吞吐量随源发送功率P_S的变化情况。仿真环境:时间切换比α＝0.2，信道衰落系数m＝2.7，能量转化效率η＝0.8，源传输速率R_S＝2bit/s，中继自干扰信道平均信道增益0.3，其他信道平均信道增益均为1，各节点接收噪声方差1W。节点设置为：源节点位于点(0,0)，中继位于点

目的节点位于点

中继配备天线数设置是N＝20。

图3和图4分别给出了延迟受限传输模式和延迟容忍传输模式下，本发明所提出的传输方案与其他两种方案的对比图。图中传统方案1相较于本文方案是中继处没有应用天线选择技术，中继自干扰无法降低和消除。传统方案2相较于本文方案虽然中继处运用了天线选择技术，但源和目的端之间不存在直达链路。由图可知，本文方案要明显优于其他两种传输方案，是因为本文方案充分利用了全双工，天线选择，最大比合并技术的优越性，显著提高了系统的吞吐量性能。并且本发明的系统吞吐量随着信源发送功率P_S的增加而增加。

以上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 (3)

1.一种基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法，其特征在于，基于时间切换能量采集的全双工放大转发协作中继传输系统，所述系统包括一个源S、一个全双工中继R和一个目的端D，源节点和目的端节点配置单根天线，中继节点配置多根天线；在一个时间块T内，源通过直达链路传输信息到目的端；在第一时隙αT内，中继进行能量采集；第二时隙(1-α)T内，中继接收源信息的同时，放大转发源信息到目的端；全双工能量采集中继传输方法包括：

获取目的端接收的信息和对应的第一信噪比；

选择中继的接收天线和发送天线；

基于选择的接收天线，获取第一时隙αT内，中继收到的信号；其中，α表示时间切换比；

基于选择的接收天线，获取在第二时隙(1-α)T内，当源信息通过中继传输时，中继收到的信号；

基于选择的发送天线，获取在第二时隙(1-α)T内，当源信息通过中继传输时，目的端接收的信息及对应的第二信噪比；

目的端采用最大比合并技术，合并来自中继和源的信息后，对所述第一信噪比和所述第二信噪比求和获得目的端的接收信噪比；

基于目的端的接收信噪比，获取所述系统的瞬时安全容量及系统吞吐量；

所述获取目的端接收的信息和对应的第一信噪比，具体包括：

在整个时间块T内，源通过直达链路直接传输信息到目的端，此时目的端接收的信息为：

对应的第一信噪比获取方式如下：

其中，P_S表示源发射功率；d_SD表示源和目的端之间的距离，m表示路径损耗指数；h_SD表示源和目的端之间的信道参数；x_S表示节点S发送的归一化信息信号；n_D表示目的端接收到均值为0方差为N₀的加性高斯白噪声；N₀表示加性白高斯噪声的方差；

通过如下方式选择中继的接收天线和发送天线：

其中，i表示中继用于接收信息的第i根天线，j表示中继用于发送信息的第j根天线；h_RR,i,j表示中继节点R自干扰信道的信道参数；N表示配置的天线根数；i^*表示按照天线选择准则

选择出来的中继的接收天线；j^*表示按照天线选择准则

选择出来的中继的发送天线；

基于选择的接收天线，获取第一时隙αT内，中继节点收到的信号，具体如下：

其中，d_SR表示源和中继之间的距离；h_SR表示源和中继之间的信道参数；n_R表示中继接收到均值为0方差为N₀的加性高斯白噪声；

基于选择的接收天线，获取在第二时隙(1-α)T内，当源信息通过中继传输时，中继收到的信号，具体如下：

其中，P_R表示第二时隙内发送功率，

b＝ηα/(1-α)，η表示能量采集效率，0<η<1；x_R是中继放大转发的信息；h_RR表示中继节点R自干扰信道的信道参数；

基于选择的发送天线，获取在第二时隙(1-α)T内，当源信息通过中继传输时，目的端接收的信息及对应的第二信噪比，具体包括：

获取目的端接收的信息，如下：

其中，d_RD表示中继和目的端之间的距离；h_RD表示中继和目的端之间的信道参数；n_D表示目的端接收到均值为0方差为N₀的加性高斯白噪声；

对应的第二信噪比获取方式如下：

目的端采用最大比合并技术，合并来自中继和源节点的信息后，对所述第一信噪比和所述第二信噪比求和获得目的端的接收信噪比γ_D，具体为：

γ_D＝γ_D1+γ_D2。

2.根据权利要求1所述的基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法，其特征在于，基于目的端的接收信噪比，获取所述系统的瞬时安全容量及系统吞吐量，具体包括：

获取所述系统的瞬时安全容量，如下：

C_S＝[C_D]⁺

其中，

[C_D]⁺表示max(C_D,0)；

由此，可得遍历安全速率表示为E(C_S)＝E([C_D]⁺)；

表示求均值；

在延迟受限传输模式下，由于无线信道是随机衰落的，中继传输会中断，P_out＝Pr(γ_D<γ_th)表示系统的中断概率，Pr表示γ_D<γ_th的概率；R_S表示源发送速率，

表示目的端信噪比阈值，系统吞吐量可以表示如下：

τ＝(1-α)(1-P_out)R_S。

3.根据权利要求1所述的基于自干扰最小化准则的全双工能量采集中继传输方法，其特征在于，基于目的端的接收信噪比，获取所述系统的瞬时安全容量及系统吞吐量，具体包括：

获取所述系统的瞬时安全容量，如下：

C_S＝[C_D]⁺

其中，

[C_D]⁺表示max(C_D,0)；

由此，可得遍历安全速率表示为E(C_S)＝E([C_D]⁺)；

表示求均值；

在延迟容忍传输模式下，吞吐量作为评价传输系统安全性的有效指标，表示如下：

τ＝(1-α)E(C_S)。

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