CN110492919B - 基于混合前传协议的swipt多中继通信系统最大化吞吐量方法 - Google Patents

基于混合前传协议的swipt多中继通信系统最大化吞吐量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于混合前传协议的SWIPT多中继通信系统最大化吞吐量方法，各中继节点以时隙切换的方式轮流进行信息解码与能量收集，并且根据各自信道特点选择不同的转发协议；通过对时隙切换因子和中继转发协议选择因子的联合优化，实现系统的吞吐量最大化。本发明中的多中继通信系统的中继节点采用混合前传协议和SWIPT相结合的技术，在加强中继节点的续航能力的同时，增强了对信道的适应性；对中继转发协议选择因子与时隙切换因子进行联合优化，实现了中继节点转发协议的最优选择、以及能量收集与信息解码之间资源的最优分配，提高了系统的吞吐量。

Description

基于混合前传协议的SWIPT多中继通信系统最大化吞吐量 方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于混合前传协议的无线信息与能量同时传输(simultaneously wireless information and power transfer,SWIPT)多中继协作通信系统的吞吐量最大化方法。
背景技术
协作通信是一种利用中继进行协作传输的技术。通过用户之间的协作与天线共享，协作通信不仅扩大了系统通信覆盖范围,还可使终端获得分集增益，从而提高系统容量、可靠性以及能效性能。在协作通信系统中，多个中继节点同时参与协作可进一步提高系统性能。在多中继协作通信系统中，中继采用何种转发协议是影响协作质量的关键。其中，放大转发(amplify-and-forward,AF)协议对信号进行简单放大后转发，适用于信道条件较差的情形；解码转发(decode-and-forward,DF)协议对信号进行解码后转发，在信道质量较差时会发生错误译码，适用于信道条件较好的情形。
在无线协作通信网络中，中继节点通常采用电池供电，需要周期性地对电池进行充电、或者更换电池。在一些工作环境恶劣或者节点数量庞大的场景中，使用传统方法对中继电池进行充电或更换电池存在操作困难、甚至无法实现等问题。SWIPT技术可使中继节点在接收无线信息的同时对信号进行能量采集，从而为节点电池提供能量补充，因而利用SWIPT技术可有效解决中继节点电池能量补充问题。在SWIPT通信系统中，能量收集与信息解码之间的资源如何分配是影响系统性能的关键问题。
目前已有不少关于无线协作通信和SWIPT方面的研究，但关于多中继SWIPT协作通信系统方面的研究还很少。其中，He Chen和Ju Liu在论文“Performance Analysis ofSNR-Based Hybrid Decode-Amplify-Forward Cooperative Diversity Networks overRayleigh Fading Channels”中提出了一种通过比较中继节点信噪比和指定阈值的大小来选取中继转发协议的方法，但该方法研究的是传统的中继系统，没有考虑利用SWITP技术对中继节点电池进行能量补充的问题，中继的续航能力差。Yuan Liu在论文“WirelessInformation and Power Transfer for Multirelay-Assisted CooperativeCommunication”中提出了多中继SWITP协作通信系统中继节点信息解码与能量采集之间的最优功率分割方法，但该方法的所有中继节点均采用相同的AF或DF协议，对信道的适应性较差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于混合前传协议的SWIPT多中继通信系统最大化吞吐量方法，各中继节点以时隙切换的方式轮流进行信息解码与能量收集，并且根据各自信道特点选择不同的转发协议；通过对时隙切换因子和中继转发协议选择因子的联合优化，实现系统的吞吐量最大化。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于混合前传协议的SWIPT多中继通信系统最大化吞吐量方法，应用于双跳多中继无线通信系统，包含一个源节点S、M个辅助传输的中继节点R1,R2,…,RM和一个目的节点D，所有的中继节点利用所采集的能量进行信号转发，所有节点都安装单根天线，源节点和目的节点之间由于阴影衰落的影响没有直接链路，系统传输一个符号块的时间为T，假设在一个符号块的传输时间内信道特性保持不变，所述的最大化吞吐量方法包括以下步骤：
S1、源节点S向所有中继节点广播训练信号，中继节点Ri根据接收到的训练信号对信道状态进行估计，得到S和Ri之间的信道信息
Figure GDA0002944073090000031
其中，i＝1,2,...,M；
S2、所有中继节点向目的节点D发送训练信号，目的节点D根据接收到的训练信号对信道状态进行估计，得到Ri与D之间的信道信息
Figure GDA0002944073090000032
S3、确定中继节点Ri的携能通信时隙切换因子αi的最优值
Figure GDA0002944073090000033
和中继转发协议选择因子βi的最优值
Figure GDA0002944073090000034
S4、利用所述的最优时隙切换因子
Figure GDA0002944073090000035
与最优中继转发协议选择因子
Figure GDA0002944073090000036
各中继节点以时隙切换的方式轮流进行信息解码与能量收集、并选择相应的转发协议进行信号转发，其中，一个符号块时间内中继节点Ri进行信息解码的时间为
Figure GDA0002944073090000037
进行能量收集的时间为
Figure GDA0002944073090000038
当
Figure GDA0002944073090000039
时，中继节点Ri选择DF协议进行转发，当
Figure GDA00029440730900000310
时，中继节点Ri选择AF协议进行转发，转发的时间为
Figure GDA00029440730900000311
进一步地，所述的步骤S3过程如下：
S3.1、定义优化问题：
Figure GDA00029440730900000312
Figure GDA00029440730900000313
Figure GDA00029440730900000314
其中，
Figure GDA00029440730900000315
是系统的吞吐量，τi是第i条链路(S→Ri→D)的信道容量，αi是Ri的时隙切换因子，βi是Ri的中继转发协议选择因子；
S3.2、设置穷举变量l，l是十进制数，l的初始值为0；
S3.3、将l转换为二进制数θMθM-1...θ1，令中继节点Ri的转发协议选择因子为
Figure GDA00029440730900000316
S3.4、利用所述的
Figure GDA0002944073090000041
使用凸优化工具包CVX求解步骤3.1所述的最优化问题，得到第l次穷举中的最优时隙切换因子
Figure GDA0002944073090000042
与相应的系统最大吞吐量
Figure GDA0002944073090000043
S3.5、判断l≥2M是否成立，如果成立，令
Figure GDA0002944073090000044
其中L＝2M-1，ll是0和L之间的任意整数，相应于
Figure GDA0002944073090000045
的Ri的中继转发协议选择因子和时隙切换因子分别记作
Figure GDA0002944073090000046
和
Figure GDA0002944073090000047
输出所述优化问题的最优解
Figure GDA0002944073090000048
执行步骤S4；否则令l＝l+1，返回步骤S3.3。
进一步地，所述的优化问题中，目标函数中的信道容量τi由下式定义：
Figure GDA0002944073090000049
其中，
Figure GDA00029440730900000410
表示Ri采用DF协议传输时第i条链路的信噪比，
Figure GDA00029440730900000411
表示Ri采用AF协议传输时第i条链路的信噪比，其中，
Figure GDA00029440730900000412
和
Figure GDA00029440730900000413
分别是Ri采用AF协议时链路S→Ri与链路Ri→D的信噪比，其中pt是源节点的固定传输功率，
Figure GDA00029440730900000414
与
Figure GDA00029440730900000415
分别是Ri与D处的加性高斯白噪声的方差，|·|表示对复数求模运算，
Figure GDA00029440730900000416
是中继节点的传输功率，其中η，0＜η＜1是中继节点的能量转换效率。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明中的多中继通信系统的中继节点采用混合前传协议和SWIPT相结合的技术，在加强中继节点的续航能力的同时，增强了对信道的适应性；对中继转发协议选择因子与时隙切换因子进行联合优化，实现了中继节点转发协议的最优选择、以及能量收集与信息解码之间资源的最优分配，提高了系统的吞吐量。
附图说明
图1是本发明实施例中SWIPT多中继通信系统示意图；
图2是本发明实施例中中继节点时隙切换示意图；
图3是本发明中公开的基于混合前传协议的SWIPT多中继通信系统最大化吞吐量方法的实现流程图；
图4是本发明实施例中获取SWIPT多中继通信系统最大吞吐量的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例公开了一种基于混合前传协议的SWIPT多中继通信系统吞吐量最大化方法，各中继节点以时隙切换的方式轮流进行信息解码与能量收集、并且根据各自信道特点选择不同的转发协议；通过对时隙切换因子和中继转发协议选择因子的联合优化，实现SWIPT多中继通信系统的吞吐量最大化。
本实施例的SWIPT多中继通信系统如图1所示，中继节点时隙切换如图2所示，实施的流程如图3所示，中继转发协议选择因子和时隙切换因子的联合优化过程如图4所示。
在本实施例中，考虑所有节点均位于一个二维平面内，源节点S和目的节点D的坐标分别为(x1,0)和(x2,0)m，M个中继节点R1,R2,…,RM均匀分布在S和D连线的中垂线上，任意两个中继节点之间的距离为0.4m，x1＝0，x2＝10，M＝5；S和D连线的中点记为O，dSO＝5m表示S和O之间的距离，dDO＝5m表示D和O之间的距离，
Figure GDA0002944073090000061
表示S和Ri之间的距离，
Figure GDA0002944073090000062
表示D和Ri之间的距离，其中
Figure GDA0002944073090000063
是Ri和O之间的距离；一个符号块的传输时间为T，在一个符号块传输时间内信道特性保持不变，T＝1s。
本实施例公开额一种基于混合前传协议的SWIPT多中继通信系统吞吐量最大化方法的工作流程如图3所示，具体步骤如下：
步骤S1、源节点S向所有中继节点R1,R2,…,R5广播训练信号，中继节点Ri根据接收到的训练信号对信道状态进行估计，得到S和Ri之间的信道信息
Figure GDA0002944073090000064
其中
Figure GDA0002944073090000065
是信号的衰落幅度，服从概率密度函数为
Figure GDA0002944073090000066
的瑞利分布，φ＝2.7是路径损耗指数，其中i＝1,2,...,5；
步骤S2、所有中继节点向目的节点D发送训练信号，目的节点D根据接收到的训练信号对信道状态进行估计，得到Ri与D之间的信道信息
Figure GDA0002944073090000067
其中
Figure GDA0002944073090000068
是信号的衰落幅度，服从概率密度函数为fi(x)的瑞利分布；
步骤S3、确定中继节点Ri的携能通信时隙切换因子αi的最优值
Figure GDA0002944073090000069
和中继转发协议选择因子βi的最优值
Figure GDA00029440730900000610
具体有以下步骤：
步骤S3.1、定义优化问题：
Figure GDA00029440730900000611
Figure GDA00029440730900000612
Figure GDA00029440730900000613
其中，
Figure GDA0002944073090000071
是系统的吞吐量，τi是第i条链路(S→Ri→D)的信道容量，αi是Ri的时隙切换因子，βi是Ri的中继转发协议选择因子；
优化问题中，目标函数中的信道容量τi由下式定义
Figure GDA0002944073090000072
其中，
Figure GDA0002944073090000073
表示Ri采用DF协议传输时第i条链路的信噪比，
Figure GDA0002944073090000074
表示Ri采用AF协议传输时第i条链路的信噪比，其中，
Figure GDA0002944073090000075
和
Figure GDA0002944073090000076
分别是Ri采用AF协议时链路S→Ri与链路Ri→D的信噪比，其中pt＝100mW是源节点的固定传输功率，
Figure GDA0002944073090000077
与
Figure GDA0002944073090000078
分别是Ri与D处的加性高斯白噪声的方差，|·|表示对复数求模运算，
Figure GDA0002944073090000079
是中继节点的传输功率，其中η＝0.6是中继节点的能量转换效率；
步骤S3.2、设置穷举变量l，l是十进制数，l的初始值为0；
步骤S3.3、将l转换为二进制数θ5θ4θ3θ2θ1，令中继节点Ri的转发协议选择因子为
Figure GDA00029440730900000710
步骤S3.4、利用所述的
Figure GDA00029440730900000711
使用凸优化工具包CVX求解步骤3.1所述的最优化问题，得到第l次穷举中的最优时隙切换因子
Figure GDA00029440730900000712
与相应的系统最大吞吐量
Figure GDA00029440730900000713
步骤S3.5、判断l≥25是否成立，如果成立，令
Figure GDA00029440730900000714
其中，L＝25-1，ll是0和L之间的任意整数，相应于
Figure GDA00029440730900000715
的Ri的中继转发协议选择因子和时隙切换因子分别记作
Figure GDA00029440730900000716
和
Figure GDA00029440730900000717
输出所述优化问题的最优解
Figure GDA00029440730900000718
执行步骤S4；否则令l＝l+1，返回步骤S3.3；
步骤S4、利用最优时隙切换因子
Figure GDA00029440730900000719
与最优中继转发协议选择因子
Figure GDA00029440730900000720
各中继节点以时隙切换的方式轮流进行信息解码与能量收集、并选择相应的转发协议进行信号转发，其中，一个符号块时间内中继节点Ri进行信息解码的时间为
Figure GDA0002944073090000081
进行能量收集的时间为
Figure GDA0002944073090000082
当
Figure GDA0002944073090000083
时，中继节点Ri选择DF协议进行转发，当
Figure GDA0002944073090000084
时，中继节点Ri选择AF协议进行转发，转发的时间为
Figure GDA0002944073090000085
综上所述，本实施例中多中继通信系统的中继节点采用混合前传协议和SWIPT相结合的技术，在加强中继节点的续航能力的同时，增强了对信道的适应性；对中继转发协议选择因子与时隙切换因子进行联合优化，实现了中继节点转发协议的最优选择、以及能量收集与信息解码之间资源的最优分配，提高了多中继通信系统的吞吐量。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于混合前传协议的SWIPT多中继通信系统最大化吞吐量方法，应用于双跳多中继无线通信系统，包含一个源节点S、M个辅助传输的中继节点R1,R2,…,RM和一个目的节点D，所有的中继节点利用所采集的能量进行信号转发，所有节点都安装单根天线，源节点和目的节点之间由于阴影衰落的影响没有直接链路，系统传输一个符号块的时间为T，假设在一个符号块的传输时间内信道特性保持不变，其特征在于，所述的最大化吞吐量方法包括以下步骤：
S1、源节点S向所有中继节点广播训练信号，中继节点Ri根据接收到的训练信号对信道状态进行估计，得到S和Ri之间的信道信息
Figure FDA0002944073080000011
其中，i＝1,2,...,M；
S2、所有中继节点向目的节点D发送训练信号，目的节点D根据接收到的训练信号对信道状态进行估计，得到Ri与D之间的信道信息
Figure FDA0002944073080000012
S3、确定中继节点Ri的携能通信时隙切换因子αi的最优值
Figure FDA0002944073080000013
和中继转发协议选择因子βi的最优值
Figure FDA0002944073080000014
S4、利用所述的最优时隙切换因子
Figure FDA0002944073080000015
与最优中继转发协议选择因子
Figure FDA0002944073080000016
各中继节点以时隙切换的方式轮流进行信息解码与能量收集、并选择相应的转发协议进行信号转发，其中，一个符号块时间内中继节点Ri进行信息解码的时间为
Figure FDA0002944073080000017
进行能量收集的时间为
Figure FDA0002944073080000018
当
Figure FDA0002944073080000019
时，中继节点Ri选择DF协议进行转发，当
Figure FDA00029440730800000110
时，中继节点Ri选择AF协议进行转发，转发的时间为
Figure FDA00029440730800000111
其中，所述的步骤S3过程如下：
S3.1、定义优化问题：
Figure FDA0002944073080000021
Figure FDA0002944073080000022
Figure FDA0002944073080000023
其中，
Figure FDA0002944073080000024
是系统的吞吐量，τi是第i条链路的信道容量，αi是Ri的时隙切换因子，βi是Ri的中继转发协议选择因子；
S3.2、设置穷举变量l，l是十进制数，l的初始值为0；
S3.3、将l转换为二进制数θMθM-1...θ1，令中继节点Ri的转发协议选择因子为
Figure FDA0002944073080000025
S3.4、利用所述的
Figure FDA0002944073080000026
使用凸优化工具包CVX求解步骤3.1所述的最优化问题，得到第l次穷举中的最优时隙切换因子
Figure FDA0002944073080000027
与相应的系统最大吞吐量
Figure FDA0002944073080000028
S3.5、判断l≥2M是否成立，如果成立，令
Figure FDA0002944073080000029
其中L＝2M-1，ll是0和L之间的任意整数，相应于
Figure FDA00029440730800000210
的Ri的中继转发协议选择因子和时隙切换因子分别记作
Figure FDA00029440730800000211
和
Figure FDA00029440730800000212
输出所述优化问题的最优解
Figure FDA00029440730800000213
执行步骤S4；否则令l＝l+1，返回步骤S3.3。
2.根据权利要求1所述的基于混合前传协议的SWIPT多中继通信系统最大化吞吐量方法，其特征在于，所述的优化问题中，目标函数中的信道容量τi由下式定义：
Figure FDA00029440730800000214
其中，
Figure FDA00029440730800000215
表示Ri采用DF协议传输时第i条链路的信噪比，
Figure FDA00029440730800000216
表示Ri采用AF协议传输时第i条链路的信噪比，其中，
Figure FDA00029440730800000217
和
Figure FDA00029440730800000218
分别是Ri采用AF协议时链路S→Ri与链路Ri→D的信噪比，其中pt是源节点的固定传输功率，
Figure FDA0002944073080000031
与
Figure FDA0002944073080000032
分别是Ri与D处的加性高斯白噪声的方差，|·|表示对复数求模运算，
Figure FDA0002944073080000033
是中继节点的传输功率，其中η，0＜η＜1是中继节点的能量转换效率。
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