CN110475310B - 一种基于arq的无线能量收集网络选择协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ARQ的无线能量收集网络选择协作传输方法，属于无线通信技术领域。该方法在源节点与目的节点之间设置多个支持射频能量收集且带有可充电电池的中继节点；源节点通过多轮ARQ方式向目的节点发送信息，中继节点尝试解码该信息并同时利用射频能量进行充电；若目的节点接收失败，则中继节点通过分布式竞争选出最佳中继节点进行协助转发；在转发过程中，未解码成功的中继节点继续尝试解码；若转发未成功则进入下一轮。本发明在每轮ARQ传输时，源节点都向中继节点进行无线供电以增大其发射功率，且充分利用了中继‑中继间信道增加最佳中继的选择范围，在节能的同时，有效提高了系统传输可靠性。

Description

一种基于ARQ的无线能量收集网络选择协作传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于自动重传请求(ARQ)的无线能量收集网络选择协作方法。

背景技术

协作通信技术指在多用户通信环境中，使用单根天线的各节点可共享彼此的天线协作发送各自的信息，从而产生一种类似多天线发送的虚拟天线阵列，以获得空间分集增益。选择协作技术应用在多中继节点场景中，与多个中继都参与协作传输的方法相比，选择协作从多中继中选出一个最佳中继传输信息极大的降低了系统的复杂度。

在一些无线通信系统中，例如无线传感器网络中，节点面临着能量受限的问题，节点能量一旦耗尽会导致通信性能的降低，加大系统的中断概率。因此能量收集技术利用射频信号能同时携带能量及信息的特性，给配备能量存储装置的中继节点充电，能够有效缓解系统中节点能量问题。

当前，将能量收集技术应用在协作通信中的研究得到了广泛的关注，中继通过收集发射信号中携带的射频能量来用于下次的协作转发，能够降低系统的能量消耗。传统的选择协作通信系统中未考虑到电池能量的累积，并且大多依赖于最佳中继-目的节点信道质量来选择最佳中继，并未充分利用所有可用信道。

基于上述缺陷，亟需一种既节能又能够提供系统传输可靠性的协作通信技术。

本发明通过ARQ机制进行多轮重传，每轮次都进行直接链路传输，在中继节点处采用可充电电池每轮次都能收集能量进行累积用于下次协作传输，并采用分布式竞争方法选择最佳中继进行协作传输，同时利用中继-中继信道扩充了解码集，增加了中继备选范围，在节能的同时提高了系统传输可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于ARQ的无线能量收集网络选择协作传输方法，针对传统协作通信技术中未充分利用中继-中继信道以及未利用源信息所携带的射频能量的缺陷，在自动重传请求机制下，多个能量收集解码转发中继可通过利用中继-中继间可用信道扩充解码集，增加了最佳中继的可选择范围。并且结合每个中继的发射功率与中继-目的节点信道增益采用分布式竞争方法从集合中选出一个最佳中继协作传输源信息，有效提高系统的传输可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于ARQ的无线能量收集网络选择协作传输方法，在源节点与目的节点之间设置多个支持射频能量收集且带有可充电电池的中继节点；源节点通过多轮ARQ方式向目的节点发送信息，中继节点尝试解码该信息并同时利用射频能量进行充电；若目的节点接收失败，则中继节点通过分布式竞争选出最佳中继节点进行协助转发；在转发过程中，未解码成功的中继节点继续尝试解码；若转发未成功则进入下一轮；该方法具体包括以下步骤：

第1轮：

步骤101：源节点S以功率P_S向目的节点D直接传输数据包；若D接收成功，则返回ACK帧，针对本数据包的传输以成功状态结束；若D接收失败，则返回NACK帧；进入步骤102；

步骤102：成功解码源信息的中继加入解码集D(s)，未解码成功的中继不加入D(s)也不积累能量；每个中继节点根据目的节点D反馈的NACK帧，估计中继-目的信道增益；在D(s)中的中继在时间窗口内采用分布式竞争方式选出最优中继R_i ^*，即D(s)中每个中继节点开启一个定时器进行回退，该定时器初始值与判定参数ω_i成反比，定时器最先到期的选为最佳中继，其中ω_i表示为：

步骤103：最佳中继R_i ^*协作转发数据包给目的节点D，同时D(s)通过利用中继-中继信道得到扩充；D成功接收协作信息，则反馈ACK帧，数据包传输成功，本轮结束；若D接收失败，反馈NACK帧，进入下一轮。

第n轮，2≤n≤L：

步骤n01：源节点S向目的节点D直接传输数据包，未加入解码集D(s)的中继以功率拆分模式进行能量信息同时处理，在D(s)中的中继只进行能量的收集；成功解码源信息的中继将加入D(s)；D接收成功，则反馈ACK帧，结束传输；若接收失败，则反馈NACK帧，进入步骤n02；

步骤n02：在D(s)中的中继在时间窗口内采用分布式竞争方式选出最优中继R_i ^*，即D(s)中每个中继节点开启一个定时器进行回退，该定时器初始值与ω_i成反比，定时器最先到期的选为最佳中继；

步骤n03：最佳中继R_i ^*协作转发数据包给目的节点D，位于解码集D(s)外的中继尝试解码R_i ^*发出的信息，成功接收到的中继节点加入D(s)，即D(s)通过利用中继-中继信道得到扩充；D成功接收协作信息，则反馈ACK帧，数据包传输成功，本轮结束；若D接收失败，反馈NACK帧，进入下一轮；

当数据包传输到第L轮结束时，若目的节点仍未反馈ACK帧，则整个数据包传输以失败状态而结束，系统产生中断事件。

进一步，所述步骤102中，当

中继节点能成功解码源信息加入解码集D(S)，且其进行能量收集后的发射功率为：

其中，

表示原节点S与中继节点R_i之间的信道增益，P_s为源节点的发射功率，

为中继节点的发射功率，R为目标速率，β_i为功率分配因子，η为中继处能量转换效率因子。

进一步，所述步骤101或步骤n01中，源-目的节点直接传输，即源节点向所有中继节点供电，增加中继的发射功率；所有中继都工作在功率拆分模式下，位于D(s)外的中继在功率拆分模式下同时处理信息与能量，其功率分配因子表示为：

其中，

表示原节点S与中继节点R_i之间的信道增益，P_s为源节点的发射功率，R为目标速率；

位于D(s)中的中继节点将全部功率用于能量收集，其功率分配因子表示为：β_i＝1；

即每个中继节点的功率分配因子β_i根据中继不同的情况自适应变化。

进一步，所述步骤n01中，源节点S以功率P_s向目的节点D传输数据包过程中，中继节点根据发射功率分为以下四种情况：

(1)本轮刚加入D(S)的中继节点R_a,1≤a≤N，其发射功率为：

其中，N表示中继节点数量；

(2)之前在D(S)中但未选择作为最佳中继的节点R_b,1≤b≤N,b≠a，其发射功率为：

(3)在上一轮传输中被选择作为最佳中继的节点R_c,1≤c≤N,a≠b≠c，因为保障传输的成功，耗尽所有能量用于协作传输，故只收集到了本轮的能量，其发射功率为：

(4)在本轮次成功接收源信息，未加入D(S)的中继，不能累积能量，发射功率为0。

进一步，所述步骤n02中，根据中继分类情况不一致，ω_i表示为：

其中n∈[2,L]。

进一步，所述步骤103或步骤n03中，通过中继-中继信道扩充解码集的过程，具体为：最佳中继节点R_i ^*以功率

转发数据包给目的节点，R_i ^*转发信息(D(S)中的中继不接收)若被D(S)外中继节点成功接收，即满足：

则该中继节点将加入D(S)，表明通过R_i ^*的转发D(S)外的中继节点能通过中继-中继信道获得源节点信息副本从而加入D(S)，使得D(S)中可用中继得以扩充，增大了最佳中继的选择范围，其中

表示中继节点R_i ^*与中继节点R_j之间的信道增益，

为中继节点R_i ^*的发射功率，R为目标速率。

本发明的有益效果在于：

1)本发明在无线能量收集网络中采用了多轮ARQ机制，每轮次源节点向中继节点供电，增大了中继节点的发射功率，并且通过利用中继-中继信道扩充了解码集，提高了系统传输可靠性。

2)本发明在中继处使用了能量存储装置使每一轮能量可累积，每轮次解码源信息或最佳中继转发信息成功的中继加入解码集。中继工作在功率拆分模式下，且其功率分配因子根据情况自适应变化。

3)在最佳中继的选择方法上，本发明充分考虑了解码集中每个中继通过无线能量收集所获得并存储到电池中的能量所对应的可用转发功率，同时联合考虑了中继-目的节点之间的信道增益，通过反比例设置定时时间值，采用分布式竞争方法从集合中选择最佳中继进行协作传输，具有高效、易实现的优点。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1所示为本发明实施例中每轮次传输步骤1示意图；

图2所示为本发明实施例中每轮次传输步骤2示意图；

图3所示为本发明实施例中每轮次传输步骤3示意图；

图4所示为本发明实施例中第n轮传输流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图4，本发明的实施方式涉及一种基于ARQ的无线供电选择协作系统，该系统由一个源节点S，一个目的节点D和多个EH解码转发中继R_i(1≤i≤N)组成。其中S，D节点有固定的能量供应，EH中继R_i装备能量存储装置，在中继处为了实现理论上的能量信息同传本发明中采用功率拆分技术。因为无线能量收集技术可支持的范围有限，所以认为在一定的路径损耗及衰落下直接传输链路仍然是存在的，每个节点配备单天线且都工作在半双工模式下。源节点的发射功率为P_s，中继的发射功率为

功率分配因子为β_i，η为中继处能量转换效率因子，R为目标速率，h_XY表示任意两节点(S，D，R_i)之间的信道增益。假设一个数据包的最大重传轮数为L轮，其传输具体过程为：

第1轮：

步骤1：源节点S以功率P_s向目的节点D传输数据包，如图1所示，中继R₁,R₂…R_N(1≤i≤N)以功率拆分模式监听。若目的节点D接收成功，则返回ACK，本轮结束。若接收失败，则返回NACK，如图2所示，进入第2步。

步骤2：每个中继工作在功率拆分模式下，同时进行能量收集和信息解码。为了保证传输成功，功率拆分模式下每个中继都要尽最大努力解码源节点发出的信息，剩下的功率才用于能量收集。每个中继功率拆分的分配系数不尽相同设为β_i，分配β_i用于能量收集，1-β_i用于信息解码。中继能正确接收源节点信息S需满足：

β_i大于上述值，则会造成能量的浪费。故每个中继节点都采用系数

来进行能量与信息的同时处理。当

中继节点即使使用全部的功率用于接收信号，也无法解码成功，那么该中继则不可用，也无法有效的积累能量，则无法加入解码集。当

中继能成功解码源信息加入解码集D(S)且其进行能量收集后的发射功率为：

令

因功率转换因子η与源节点的发射功率P_S为固定值，则ω_i决定了D(S)中每个中继R_i转发时能具备的最大发射功率可将其选做最佳中继。并且还要考虑中继-目的节点间的信道增益，每个中继通过目的节点反馈的NACK帧判断中继-目的节点信道，信道条件越好的中继选做最佳中继：

R_i ^*＝argmax{ω_i}

在D(S)中的中继在时间窗口内[0,t]采用分布式竞争方式选出最优中继，即D(S)中每个中继开启一个定时器进行回退，该定时器初始值与ω_i成反比，定时器最先到期的选为最佳中继。

步骤3：最佳中继R_i ^*以功率

转发数据包给目的节点，最佳中继R_i ^*发出的信息(D(S)中的中继不接收)，成功接收到R_i ^*信息的中继将加入D(S)，即通过R_i ^*的转发D(S)外的中继能通过中继-中继信道获得源节点信息副本从而加入D(S)，如图3所示，使得D(S)中可用中继得以扩充。其需满足：

其中i∈[1,N],j∈[1,N],i≠j。若目的节点D成功解码则反馈ACK帧本次数据包传输结束，否则反馈NACK帧，进入下一轮。

第n轮(2≤n≤L)，如图4所示：

步骤1：源节点S以功率P_s向目的节点D传输数据包，未进入D(S)的中继节点以

为分配因子进行能量和信息的接收，解码成功的中继加入D(S)。已进入D(S)的中继以β_i＝1只进行能量的收集。此时的中继节点按照发射功率可分为四种情况：

(1)本轮次刚加入D(S)的中继节点R_a(1≤a≤N)，其发射功率为：

(2)之前在D(S)中但未选择作为最佳中继的节点R_b(1≤b≤N,b≠a)，其发射功率为：

(3)在上一轮传输中被选择作为最佳中继的节点R_c(1≤c≤N,a≠b≠c)，因为保障传输的成功，耗尽所有能量用于协作传输，故只收集到了本轮次的能量，其发射功率为：

(4)在本轮次也为成功接收源信息，未加入D(S)的中继，不能累积能量，发射功率为0。

若D接收成功反馈ACK帧，则本轮传输结束。若接收失败反馈NACK帧，进入步骤2。

步骤2：

其中n∈[1,L]。在D(S)中的中继在时间窗口[0,t]内采用分布式竞争方式选出最优中继R_i ^*进行协作转发。

R_i ^*＝argmax{ω_i}

步骤3：最佳中继R_i ^*以功率

转发数据包给目的节点，成功接收到R_i ^*信息的中继将加入D(S)，即通过R_i ^*的转发D(S)外的中继能通过中继-中继信道获得源节点信息副本从而加入D(S)，使得D(S)中可用中继得以扩充。若目的节点D成功解码则反馈ACK帧本次数据包传输结束，否则反馈NACK帧，进入下一轮。当数据包传输到第L轮结束时，若目的节点仍未反馈ACK帧，则整个数据包传输以失败状态而结束，系统产生中断事件。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于ARQ的无线能量收集网络选择协作传输方法，其特征在于，该方法在源节点与目的节点之间设置多个支持射频能量收集且带有可充电电池的中继节点；源节点通过多轮ARQ方式向目的节点发送信息，中继节点尝试解码该信息并同时利用射频能量进行充电；若目的节点接收失败，则中继节点通过分布式竞争选出最佳中继节点进行协助转发；在转发过程中，未解码成功的中继节点继续尝试解码；若转发未成功则进入下一轮；该方法具体包括以下步骤：

第1轮：

步骤101：源节点S以功率P_S向目的节点D直接传输数据包；若D接收成功，则返回ACK帧；若D接收失败，则返回NACK帧；进入步骤102；

步骤102：成功解码源信息的中继加入解码集D(s)，未解码成功的中继不加入D(s)也不积累能量；每个中继节点根据目的节点D反馈的NACK帧，估计中继-目的信道增益；在D(s)中的中继在时间窗口内采用分布式竞争方式选出最优中继R_i ^*，即D(s)中每个中继节点开启一个定时器进行回退，该定时器初始值与判定参数ω_i成反比，定时器最先到期的选为最佳中继，其中ω_i表示为：

其中，

表示原节点S与中继节点R_i之间的信道增益，P_s为源节点的发射功率，R为目标速率；

步骤103：最佳中继R_i ^*协作转发数据包给目的节点D，同时D(s)通过利用中继-中继信道得到扩充；D成功接收协作信息，则反馈ACK帧，数据包传输成功，本轮结束；若D接收失败，反馈NACK帧，进入下一轮；

第n轮，2≤n≤L：

步骤n01：源节点S向目的节点D直接传输数据包，未加入解码集D(s)的中继以功率拆分模式进行能量信息同时处理，在D(s)中的中继只进行能量的收集；成功解码源信息的中继将加入D(s)；D接收成功，则反馈ACK帧，结束传输；若接收失败，则反馈NACK帧，进入步骤n02；

所述步骤n01中，源节点S以功率P_s向目的节点D传输数据包过程中，中继节点根据发射功率分为以下四种情况：

(1)本轮刚加入D(S)的中继节点R_a,1≤a≤N，其发射功率为：

其中，N表示中继节点数量，η为中继处能量转换效率因子；

(2)之前在D(S)中但未选择作为最佳中继的节点R_b,1≤b≤N,b≠a，其发射功率为：

(3)在上一轮传输中被选择作为最佳中继的节点R_c,1≤c≤N,a≠b≠c，因为保障传输的成功，耗尽所有能量用于协作传输，故只收集到了本轮的能量，其发射功率为：

(4)在本轮次成功接收源信息，未加入D(S)的中继，不能累积能量，发射功率为0；

步骤n02：在D(s)中的中继在时间窗口内采用分布式竞争方式选出最优中继R_i ^*，即D(s)中每个中继节点开启一个定时器进行回退，该定时器初始值与ω_i成反比，定时器最先到期的选为最佳中继；

步骤n03：最佳中继R_i ^*协作转发数据包给目的节点D，位于解码集D(s)外的中继尝试解码R_i ^*发出的信息，成功接收到的中继节点加入D(s)，即D(s)通过利用中继-中继信道得到扩充；D成功接收协作信息，则反馈ACK帧，数据包传输成功，本轮结束；若D接收失败，反馈NACK帧，进入下一轮；

当数据包传输到第L轮结束时，若目的节点仍未反馈ACK帧，则整个数据包传输以失败状态而结束，系统产生中断事件。

2.根据权利要求1所述的一种基于ARQ的无线能量收集网络选择协作传输方法，其特征在于，所述步骤102中，当

中继节点能成功解码源信息加入解码集D(S)，且其进行能量收集后的发射功率为：

其中，

为中继节点的发射功率，β_i为功率分配因子，η为中继处能量转换效率因子。

3.根据权利要求1所述的一种基于ARQ的无线能量收集网络选择协作传输方法，其特征在于，所述步骤101或步骤n01中，源-目的节点直接传输，即源节点向所有中继节点供电，增加中继的发射功率；所有中继都工作在功率拆分模式下，位于D(s)外的中继在功率拆分模式下同时处理信息与能量，其功率分配因子表示为：

位于D(s)中的中继节点将全部功率用于能量收集，其功率分配因子表示为：β_i＝1；

即每个中继节点的功率分配因子β_i根据中继不同的情况自适应变化。

4.根据权利要求3所述的一种基于ARQ的无线能量收集网络选择协作传输方法，其特征在于，所述步骤n02中，根据中继分类情况不一致，ω_i表示为：

其中n∈[2,L]。

5.根据权利要求1所述的一种基于ARQ的无线能量收集网络选择协作传输方法，其特征在于，所述步骤103或步骤n03中，通过中继-中继信道扩充解码集的过程，具体为：最佳中继节点R_i ^*以功率

转发数据包给目的节点，R_i ^*转发信息若被D(S)外中继节点成功接收，即满足：

则该中继节点将加入D(S)，其中

表示中继节点R_i ^*与中继节点R_j之间的信道增益，

为中继节点R_i ^*的发射功率，R为目标速率。

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