CN110461034B - 一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法，包括如下步骤：步骤S1、两信源节点通过中继节点R将信息转发至目的节点，在第一时隙中，广播信号至中继节点R；步骤S2、中继节点R基于能量收集技术同时实现信息译码与能量收集，功率分割协议下，功率分割因子为ρ(0≤ρ≤1)，可获取两信源节点到中继节点R的信噪比；步骤S3、根据香农公式获取两信源节点到中继节点R及中继节点R到目的节点的信道容量，译码转发协议下，获取两信源中继协作通信系统的信道容量；步骤S4、优化中继节点R的功率分割因子ρ，对能量收集和信息译码两部分功率进行优化分配，使两信源节点到目的节点的系统信道容量最大化。本发明结合了协作和能量收集技术，实现了分集增益，突破了无线通信领域中能量供应和终端能耗的瓶颈，提高了能量效率和频谱效率，延长了网络的整体使用周期。

Description

一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子 优化方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法。

背景技术

随着无线通信技术及其在各领域应用的飞速发展，现有的无线频谱资源变得紧张，如何提高频谱利用率和数据传输速率成为无线通信中亟待解决的问题。同时，在一些偏远地区，中继节点无法由电缆正常供电，或由电池供电，都降低了中继节点的使用寿命，那么如何延长通信设备的生命周期，实现信息的正常传输就显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法，结合了协作和能量收集技术，实现了分集增益，突破了无线通信领域中能量供应和终端能耗的瓶颈，提高了能量效率和频谱效率，延长了网络的整体使用周期。

本发明提供一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法，包括如下步骤：

步骤S1、两信源节点S1、S2通过中继节点R将信息转发至目的节点，在第一时隙中，S1、S2广播信号至中继节点R；

步骤S2、中继节点R基于能量收集技术同时实现信息译码与能量收集，功率分割协议下，功率分割因子为ρ(0≤ρ≤1)，可获取两信源节点到中继节点R的信噪比；

步骤S3、根据香农公式获取两信源节点S1、S2到中继节点R及中继节点R到目的节点的信道容量，并通过译码转发协议，获取两信源中继协作通信系统的信道容量；

步骤S4、优化中继节点R的功率分割因子，并对能量收集和信息译码两部分功率进行优化分配，使两信源节点S₁、S₂到目的节点的系统信道容量最大化。

作为本发明的进一步技术方案，步骤S1中，在第一时隙内，两信源节点S₁、S₂广播信号到中继节点R；两信源节点S₁、S₂的传输信号为x_i(E[|x_i|²]＝1)，发射功率分别为P_i(i＝1,2)；N_R为中继节点R的加性高斯白噪声矩阵，各分量相互独立的均值为零、方差为

的复高斯随机变量；则中继节点R的接收信号表达式为

其中，

为信源节点S_i(i＝1,2)到中继节点R的信道增益。

进一步的，步骤S2中，中继节点R的功率分割因子为ρ(0≤ρ≤1)，中继节点R将接收信号中

进行能量吸收，

进行接收信息译码，则两信源节点S₁、S₂到中继节点R的信噪比为：

进一步的，步骤S3中，中继节点R从两个信源节点S₁、S₂中收集总能量为：

其中，

为中继节点的噪声功率，功率转化率为η(0≤η≤1)，则中继节点R功率为：

中继节点采用空时编码协作转发两信源节点S₁、S₂的信息，目的节点采用最大似然检测译码方法恢复信源节点S₁、S₂的信号，中继节点的第一发射天线和第二发射天线到目的节点的接收天线的信道增益分别为

则目的节点信噪比γ_D为：

根据香农公式，可计算出两信源节点S₁、S₂到中继节点R以及中继节点R到目的节点信道容量分别为：

根据译码转发协议，两信源中继协作通信系统的信道容量为：

进一步的，步骤S4中，根据两个信源到目的节点的信道容量，优化功率分割因子，获取此时系统的信道容量最大值；则信道容量公式为：

C＝min(C₁,C₂,C₃) (11)

其中，

C₃＝C_RD，则有：

其中，F(ρ)＝min(f₁(ρ),f₂(ρ),f₃(ρ))，f_i(ρ)，i＝1,2,3，分别表示为：

通过计算可知f_i(ρ)(0≤ρ≤1)的边界值，并对边界值分析，得到ρ在[0,1]区域内，函数f₁(ρ)和f₂(ρ)单调递减，f₃(ρ)单调递增；ρ_m,n为函数曲线相交点(m,n)∈{(1,3),(2,3)}，通过比较ρ_1,3与ρ_2,3的大小，系统信道容量最大值计算分为两种情况：

第一种：ρ_1,3≤ρ_2,3，则有

第二种：ρ_1,3≥ρ_2,3，则有

其中，

通过比较ρ_1,3和ρ_2,3可知，当

时，ρ_1,3≥ρ_2,3；当

时，ρ_1,3≤ρ_2,3；

公式(16)、(17)，由部分连续函数构成，在公式(16)中，信道容量C为两段函数组成：第一段函数增加，第二段函数减少，而整个函数为连续，由此可知整个函数是凸函数且只有一个最大值；同理可知公式(17)也只有一个最大值；

将功率分割问题优化为等价于求解功率分割因子的取值可实现信道容量最大化的目标：

OP1：

s.t.0≤ρ≤1 (20)

则在第一种情况时，信道容量函数由两段函数组成的连续函数，第一段单调自增，第二段单调递减，函数最大值出现在两段函数交点处，即：

则最优功率分割因子：

ρ_opt＝ρ_1,3； (22)

第二种情况时，

系统的最大信道容量为：

则最优功率分割因子：

ρ_opt＝ρ_2,3； (24)

将分割因子代入总功率，求得用于能量收集和信息译码的功率分配，实现系统信道容量最大化。

本发明中，能量收集技术的应用使得中继节点可收集周围环境中的射频信号转发为有效功率用于供电，延长了中继设备的使用周期；本发明设计的基于能量收集的多信源中继协作系统的功率分割因子优化方法，在系统总功率一定的情况下，对中继节点用于能量收集和信息接收译码的功率进行优化分配，提高了信道容量。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为采用本发明的最优功率分割因子与其他功率分割因子时系统信道容量对比仿真图。

具体实施方式

请参阅图1，本实施例提供一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法。

假设信源节点S₂在整个通信过程中优先级低于信源节点S₁，即协作中继须首先满足S₁的信道容量需求。通过优化中继节点的功率分割因子，最大化S₁-R-D链路信道容量。优化目标为：

s.t.0≤η≤1

0≤ρ≤1

为考虑问题方便，做以下假设

将目标函数简化为

若

即：

得到：

此时系统S₁-R-D的链路信道容量为：

式(5)中γ_RD与功率分割因子ρ成正比，此时信道容量C是关于ρ的单调增函数，则当

γRD取得最大值，此时系统S₁-R-D的链路信道容量取得最大值。

若

即：

得到：

同理，此时系统S₁-R-D的链路信道容量：

式(8)中

与功率分割因子ρ成反比，此时信道容量是关于ρ的单调减函数，则当

取得最大值，此时系统S₁-R-D的链路信道容量取最大值。

通过总结分析上述两种情况，得到如下结论，当且仅当

γ_RD相等，此时系统S₁-R-D的链路信道容量取得最大值C_max，最大值为：

此时，最优功率分割因子为：

则得到中继节点用于能量收集和信息译码的功率分别为

为了实现两个信源到目的节点的信道容量最大，此时两信源节点无优先级区别，同时考虑两个信源节点信息传输速率，保证两信源节点通过中继节点转发至目的节点的信道不中断，采用联合优化方法得到功率分割因子，分析此时系统的信道容量最大值。

此时系统的优化目标函数为：

C＝min(C₁,C₂,C₃)(13)

其中，

C₃＝C_RD。进一步将公式(13)记为：

式中F(ρ)＝min(f₁(ρ),f₂(ρ),f₃(ρ))，f_i(ρ)，i＝1,2,3，分别表示为：

通过计算求得f_i(ρ)(0≤ρ≤1)的边界值，并对数值进行分析得到，ρ在[0,1]区域内，函数f₁(ρ)和f₂(ρ)单调递减，f₃(ρ)单调递增。令ρ_m,n代表函数曲线相交点(m,n)∈{(1,3),(2,3)}，通过比较ρ_1,3，ρ_2,3的大小，系统信道容量最大值计算分为以下两种情况：

Case1:ρ_1,3≤ρ_2,3

Case2:ρ_1,3≥ρ_2,3

其中，

通过比较ρ_1,3和ρ_2,3，可以得到当

时，ρ_1,3≥ρ_2,3；当

时，ρ_1,3≤ρ_2,3。

公式(18)、(19)，由部分连续函数构成，在公式(18)中，信道容量C为两段函数组成：第一段函数增加，第二段函数减少，而整个函数又连续，由此得整个函数是凸函数且只有一个最大值。公式(19)分析类似。

优化功率分割问题等价于求解功率分割因子的取值可实现信道容量最大化的目标：

OP1：

s.t.0≤ρ≤1 (22)

基于上述两种情况的最大化信道容量，分情况讨论最优功率分割因子的取值。

Case1:ρ_1,3≤ρ_2,3

该情况下，信道容量函数由两段函数组成的连续函数，第一段单调自增，第二段单调递减，函数最大值出现在两段函数交点处，即：

则最优功率分割因子：

ρ_opt＝ρ_1,3 (24)

Case2:ρ_1,3≥ρ_2,3

同理，得到系统的最大信道容量为：

则最优功率分割因子：

ρ_opt＝ρ_2,3 (26)

将分割因子代入总功率，求得用于能量收集和信息译码的功率分配，实现系统信道容量最大化。而各用户以系统信道容量最大值进行数据传输时，系统保持不中断且实现最大速率传输。

仿真结果说明，中继节点采用不同的功率分割比例用于信息译码转发和能量收集，影响着系统信道容量的大小。从仿真图可以明显看出系统信道容量随着功率分割因子ρ的变化而变化。仿真过程中，根据信道增益系数以及噪声功率等变量优化得出的功率分割因子ρ＝0.3722，在信噪比SNR＝20dB下，其对应的信道容量高于ρ取0.1,0.5,0.7,0.9时的信道容量；仿真结果还表明，当功率分割子不变时，随着信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)的不断增加，中继的发送功率增强，则会使系统的信道容量增大。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法，信源节点和目的节点配置单天线，中继节点配置两天线，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、两信源节点S₁、S₂通过中继节点R将信息转发至目的节点，在第一时隙中，S₁、S₂广播信号至中继节点R；

步骤S2、中继节点R基于能量收集技术同时实现信息译码与能量收集，功率分割协议下，功率分割因子为ρ，0≤ρ≤1，可获取两信源节点到中继节点R的信噪比；

步骤S3、根据香农公式获取两信源节点S₁、S₂到中继节点R及中继节点R到目的节点的信道容量，并通过译码转发协议，获取两信源中继协作通信系统的信道容量；

步骤S4、优化中继节点R的功率分割因子，并对能量收集和信息译码两部分功率进行优化分配，使两信源节点S₁、S₂到目的节点的系统信道容量最大化；

步骤S3中，中继节点R从两个信源节点S₁、S₂中收集总能量为：

其中，P₁为信源节点S₁的发射功率，P₂为信源节点S₂的发射功率，

为信源节点S₁至中继节点R第k根天线的信道，

为信源节点S₂至中继节点R第k根天线的信道，

为中继节点的噪声功率，功率转化率为η，0≤η≤1，则中继节点R功率为：

中继节点采用空时编码协作转发两信源节点S₁、S₂的信息，目的节点采用最大似然检测译码方法恢复信源节点S₁、S₂的信号，中继节点的第一发射天线和第二发射天线到目的节点的接收天线的信道增益分别为

则目的节点信噪比γ_D为：

根据香农公式，可计算出两信源节点S₁、S₂到中继节点R以及中继节点R到目的节点信道容量分别为：

根据译码转发协议，两信源中继协作通信系统的信道容量为：

步骤S4中，步骤S4中，根据两个信源到目的节点的信道容量，优化功率分割因子，获取此时系统的信道容量最大值；则信道容量公式为：

C＝min(C₁,C₂,C₃) (11)

其中，

C₃＝C_RD，则有：

其中，F(ρ)＝min(f₁(ρ),f₂(ρ),f₃(ρ))，f_i(ρ)，i＝1,2,3，分别表示为：

通过计算可知f_i(ρ)，0≤ρ≤1的边界值，并对边界值分析，得到ρ在[0,1]区域内，函数f₁(ρ)和f₂(ρ)单调递减，f₃(ρ)单调递增；ρ_m,n为函数曲线相交点(m,n)∈{(1,3),(2,3)}，通过比较ρ_1,3与ρ_2,3的大小，系统信道容量最大值计算分为两种情况：

第一种：ρ_1,3≤ρ_2,3，则有

第二种：ρ_1,3≥ρ_2,3，则有

其中，

通过比较ρ_1,3和ρ_2,3可知，当

时，ρ_1,3≥ρ_2,3；当

时，ρ_1,3≤ρ_2,3；

公式(16)、(17)，由部分连续函数构成，在公式(16)中，信道容量C为两段函数组成：第一段函数增加，第二段函数减少，而整个函数为连续，由此可知整个函数是凸函数且只有一个最大值；同理可知公式(17)也只有一个最大值；

将功率分割问题优化为等价于求解功率分割因子的取值可实现信道容量最大化的目标：

OP1：

s.t.0≤ρ≤1 (20)

则在第一种情况时，信道容量函数由两段函数组成的连续函数，第一段单调自增，第二段单调递减，函数最大值出现在两段函数交点处，即：

则最优功率分割因子：

ρ_opt＝ρ_1,3； (22)

第二种情况时，

系统的最大信道容量为：

则最优功率分割因子：

ρ_opt＝ρ_2,3； (24)

将分割因子代入总功率，求得用于能量收集和信息译码的功率分配，实现系统信道容量最大化。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法，其特征在于，所述步骤S1中，在第一时隙内，两信源节点S₁、S₂广播信号到中继节点R；两信源节点S₁、S₂的传输信号为x_i，E[|x_i|²]＝1，发射功率分别为P_i，i＝1,2；N_R为中继节点R的加性高斯白噪声矩阵，各分量相互独立的均值为零、方差为

的复高斯随机变量；则中继节点R的接收信号表达式为

其中，

为信源节点S_i，i＝1,2，到中继节点R的信道增益。

3.根据权利要求1所述的一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，中继节点R的功率分割因子为ρ，0≤ρ≤1，中继节点R将接收信号中

进行能量吸收，

进行接收信息译码，则两信源节点S₁、S₂到中继节点R的信噪比为：

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