CN110518993B - 无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配方法 - Google Patents

无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配方法 Download PDF

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Abstract

一种无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配方法，由构建传输信号模型、估计信道状态预测信息、确定每一传输周期的功率分配系数α、确定每一传输周期的时隙分配系数β以及确定系统的中断概率Pout步骤组成。由于本发明采用现有的全双工协作中继系统，建立了合理的传输信号模型，提出了一个资源分配方法，充分利用有限的频谱资源，提高了该系统的中断性能，与现有功率分配方法相比，在每一个传输周期的发射功率PS为0dBm～20dBm时，系统中断概率降低了0.041～0.00084。本发明具有资源分配合理、方法简单、中断性能好等优点，可用于携能通信技术领域。

Description

无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配方法
技术领域
本发明属于携能通信技术领域，具体涉及到无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配。
背景技术
无线能量收集技术是指通过无线能量传输进行能量收集的技术，该技术已被广泛认为是延长能量受限的网络工作寿命、实现绿色通信的一种有前景的解决方案。不同于传统的能量收集技术，无线能量传输可以从射频信号中获得稳定的能量供给，以满足无线网络的各种需求。作为该技术的主要应用之一，对于无线能量收集型协作中继系统的早期研究主要关注于半双工操作，采用时间切换和功率分割两种方法来设计中继接收机。在时间切换方法中，中继接收机需要两个时隙来进行能量收集和信息传输。功率分割方法允许能量收集和信息传输同时进行，但接收到的信号需要分成两部分，一部分用于能量收集，另一部分用于信息传输。很明显，这两种方法要么操作在两个时隙，要么操作在部分信号，这会造成频谱利用率很低。
全双工技术是指接收和传输数据允许同时进行，相比于半双工技术，该技术有潜力将频谱利用率提高一倍。传统的全双工技术存在一个严重的问题，即需要花费大量能量对全双工天线间的回波干扰进行抵消/抑制。Yinjie Su等人在“Decode-and-forwardrelaying with full-duplex wireless information and power transfer”(IETCommunitaion vol.11,no.13,pp.2110–2115,Sep.2017.)文章中，公开了一种新型的全双工协作中继系统，认为一个传输周期内的两时隙等分，无法合理利用有限的频谱资源，并且未考虑信源节点和目标节点之间的直视路径对系统的影响，提出传输信号模型为：
Figure BDA0002191856980000011
Figure BDA0002191856980000012
Figure BDA0002191856980000013
传输信号建模不合理，系统性能较差。
在全双工协作中继系统技术领域，当前需迫切解决的一个技术问题是提供一种合理的传输信号模型以及资源分配方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提一种资源分配合理、方法简单、中断性能好的无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是由下述步骤组成：
(1)构建传输信号模型
使用全双工协作中继系统传输信息，该系统包括一个信源节点、一个全双工中继节点以及一个目标节点，信源节点和目标节点均配置有单天线，全双工中继节点配置有发送和接收两根天线，将每一传输周期分为两个时隙，第一时隙信源节点发送信息流给全双工中继节点和目标节点，第二时隙信源节点发送能量流给全双工中继节点，同时全双工中继节点用接收的能量解码转发信息流给目标节点，产生可为全双工中继节点充电的回波干扰，全双工中继节点在第一时隙接收的信号yR,1和目标节点在第一时隙接收的信号yD,1分别为：
Figure BDA0002191856980000021
Figure BDA0002191856980000022
其中，α是每一传输周期的功率分配系数、且0<α<1，PS是每一个传输周期信源节点的发射功率，lSR是信源节点到全双工中继节点的距离，m是路径衰减指数，hSR是信源节点到全双工中继节点的信道系数，xS是信源节点发送的信息符号，nR是全双工中继节点的加性高斯白噪声，lSD是信源节点到目标节点的距离，hSD是信源节点到全双工中继节点的信道系数，全双工中继节点在第二时隙接收的信号yR,2和目标节点在第二时隙接收的信号yD,2分别为：
Figure BDA0002191856980000023
Figure BDA0002191856980000024
其中，PR是每一个传输周期全双工中继节点的发射功率、且PR<PS，xE是信源节点发送的能量符号，hSI是回波干扰的信道系数，xR是xS的解码信息符号，lRD是全双工中继节点到目标节点的距离，hRD是全双工中继节点到目标节点的信道系数，nD是目标节点的加性高斯白噪声，构建成传输信号模型。
(2)估计信道状态预测信息
用导频辅助的信道估计方法，在每一传输周期开始前，估计每一信道的信道状态预测信息。
(3)确定每一传输周期的功率分配系数α
用信号传输模型、信道状态预测信息以及最小化中断概率方法确定每一传输周期的功率分配系数α：
Figure BDA0002191856980000031
其中，rth是门限信噪比，β是每一传输周期的时隙分配系数、且0<β<1，
Figure BDA0002191856980000032
是全双工中继节点处加性高斯白噪声的方差；
(4)确定每一传输周期的时隙分配系数β
按照下式建立等式：
Figure BDA0002191856980000033
其中，η是转换效率，
Figure BDA0002191856980000034
是目标节点处加性高斯白噪声的方差，用一维搜索方法的二分法或黄金分割法，确定每一传输周期的时隙分配系数β，按β:1-β比对第一时隙和第二时隙进行分配；
(5)确定系统的中断概率Pout
用每一传输周期的功率分配系数α、每一传输周期的时隙分配系数β以及最大合并比方法，确定系统的中断概率Pout：
Figure BDA0002191856980000041
其中，rSD是第一时隙目标节点接收信噪比，Rth是门限速率，rRD是第二时隙全双工中继节点接收信噪比，完成无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配。
在本发明的构建传输信号模型步骤(1)中，所述的PS是每一个传输周期信源节点的发射功率、且取值相等。
在本发明的构建传输信号模型步骤(1)中，所述的m是路径衰减指数、且取值为2～4。
在本发明的确定每一传输周期的时隙分配系数β步骤(4)中，按照下式建立等式：
Figure BDA0002191856980000042
其中，η是转换效率，
Figure BDA0002191856980000043
是全双工中继节点处加性高斯白噪声的方差，用一维搜索方法的二分法，确定每一传输周期的时隙分配系数β，按β:1-β比对第一时隙和第二时隙进行分配。
由于本发明采用现有的全双工协作中继系统，建立了合理的传输信号模型，提出了一个资源分配方法，充分利用有限的频谱资源，提高了该系统的中断性能，与现有功率分配方法相比，在每一个传输周期的发射功率PS为0dBm～20dBm时，系统中断概率降低了0.041～0.00084。本发明具有资源分配合理、方法简单、中断性能好等优点，可用于携能通信技术领域。
附图说明
图1是本发明实施例1的工艺流程图。
图2是本发明实施例1的仿真曲线。
图3是本发明实施例2的仿真曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于下述的实施例。
实施例1
在图1中，本实施例的无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配方法由下述步骤组成：
(1)构建传输信号模型
使用全双工协作中继系统传输信息，该系统包括一个信源节点、一个全双工中继节点以及一个目标节点，信源节点和目标节点均配置有单天线，全双工中继节点配置有发送和接收两根天线，将每一传输周期分为两个时隙，第一时隙信源节点发送信息流给全双工中继节点和目标节点，第二时隙信源节点发送能量流给全双工中继节点，同时全双工中继节点用接收的能量解码转发信息流给目标节点，产生可为全双工中继节点充电的回波干扰，全双工中继节点在第一时隙接收的信号yR,1和目标节点在第一时隙接收的信号yD,1分别为：
Figure BDA0002191856980000051
Figure BDA0002191856980000052
其中，α是每一传输周期的功率分配系数、且0<α<1，PS是每一个传输周期信源的发射功率、且取值相等，lSR是信源节点到全双工中继节点的距离，m是路径衰减指数，hSR是信源节点到全双工中继节点的信道系数，xS是信源节点发送的信息符号，nR是全双工中继节点的加性高斯白噪声，lSD是信源节点到目标节点的距离，hSD是信源节点到全双工中继节点的信道系数，全双工中继节点在第二时隙接收的信号yR,2和目标节点在第二时隙接收的信号yD,2分别为：
Figure BDA0002191856980000053
Figure BDA0002191856980000054
其中，PR是每一个传输周期全双工中继节点的发射功率、且PR<PS，xE是信源节点发送的能量符号，hSI是回波干扰的信道系数，xR是xS的解码信息符号，lRD是全双工中继节点到目标节点的距离，hRD是全双工中继节点到目标节点的信道系数，nD是目标节点的加性高斯白噪声。本实施例的lSR为10m，m为2.7，hSR～CN(0,1)，
Figure BDA0002191856980000061
lSD为20m，hSD～CN(0,0.1)，
Figure BDA0002191856980000062
lRD为10m，hRD～CN(0,1)，构建成传输信号模型。
(2)估计信道状态预测信息
用导频辅助的信道估计方法，在每一传输周期开始前，估计每一信道的信道状态预测信息。导频辅助的信道估计方法由Yong Zeng等人在“Optimized training designfor wireless energy transfer,”(IEEE Trans.Commun.vol.63,no.2,pp.536–550,Feb.2015.)中公开。
(3)确定每一传输周期的功率分配系数α
用信号传输模型、信道状态预测信息以及最小化中断概率方法确定每一传输周期的功率分配系数α：
Figure BDA0002191856980000063
其中，rth是门限信噪比，β是每一传输周期的时隙分配系数、且0<β<1，
Figure BDA0002191856980000064
是全双工中继节点处加性高斯白噪声的方差。最小化中断概率方法由Zhiguo Ding等人在“Powerallocation strategies in energy harvesting wireless cooperative networks，”(IEEE Trans.Wireless Commun.vol.13,no.2,pp.846–860,Feb.2014.)中公开。本实施例的rth为3dB，
Figure BDA0002191856980000065
为-90dBm。
(4)确定每一传输周期的时隙分配系数β
按照下式建立等式：
Figure BDA0002191856980000066
其中，η是转换效率，取决于能量转换效率和解码信息的能量花费，
Figure BDA0002191856980000071
是目标节点处加性高斯白噪声的方差，用一维搜索方法的二分法，确定每一传输周期的时隙分配系数β，按β:1-β比对第一时隙和第二时隙进行分配。一维搜索方法的二分法为已知的方法，已在陈宝林著的《最优化理论与算法第2版》教科书(清华大学出版社)中公开。本实施例的η为0.4，
Figure BDA0002191856980000072
为-90dBm。
(5)确定系统的中断概率Pout
把每一传输周期的时隙分配系数β带入公式(5)中，确定每一传输周期的功率分配系数α，用每一传输周期的功率分配系数α、每一传输周期的时隙分配系数β以及最大合并比方法确定系统的中断概率Pout：
Figure BDA0002191856980000073
其中，rSD是第一时隙目标节点接收信噪比，Rth是门限速率，rRD是第二时隙全双工中继节点接收信噪比。最大合并比方法为已知的方法，已在杨鸿文著的《无线通信》教科书(人民邮电出版社)中公开。本实施例的Rth为2bit/s/Hz，完成无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配。
采用本实施例方法与背景技术中“Decode-and-forward relaying with full-duplex wireless information and power transfer”文章所述的功率分配方法进行了对比仿真模拟实验，实验结果见图2。图2描述了每一个传输周期的发射功率PS对系统中断概率Pout的影响。由图2可见，实施例1的方法与现有功率分配方法相比，在每一个传输周期的发射功率PS为0dBm～20dBm时，系统中断概率降低了0.041～0.00084。
实施例2
本实施例的无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配方法由下述步骤组成：
(1)构建传输信号模型
该步骤与实施例1相同。
(2)估计信道状态预测信息
该步骤与实施例1相同。
(3)确定每一传输周期的功率分配系数α
该步骤与实施例1相同。
(4)确定每一传输周期的时隙分配系数β
按照下式建立等式：
Figure BDA0002191856980000081
其中，η是转换效率，取决于能量转换效率和解码信息的能量花费，用一维搜索方法的黄金分割法，确定每一传输周期的时隙分配系数β，按β:1-β比对第一时隙和第二时隙进行分配。一维搜索方法的黄金分割法为已知的方法，已在教科书《最优化理论与算法第2版(陈宝林)》中公开。本实施例的η为0.4，
Figure BDA0002191856980000082
为-90dBm。
其它步骤与实施例1相同。完成无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配。
采用本实施例方法与背景技术中“Decode-and-forward relaying with full-duplex wireless information and power transfer”文章所述的功率分配方法进行了对比仿真模拟实验，实验结果见图3。由图3可见，与图2结果相同。
实施例3
本实施例的无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配方法由下述步骤组成：
(1)构建传输信号模型
在构建传输信号模型步骤(1)中，所述的PS是每一个传输周期的发射功率、且取值不相等。该步骤的其它步骤与实施例1相同。
其它步骤与实施例1相同。完成无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配。
实施例4
在以上的实施例1、2、3的构建传输信号模型步骤(1)中，所述的m是路径衰减指数、且m为2。该步骤的其它步骤与实施例1相同。
其它步骤与实施例1相同。完成无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配。
实施例5
在以上的实施例1、2、3的构建传输信号模型步骤(1)中，所述的m是路径衰减指数、且m为4。该步骤的其它步骤与实施例1相同。
其它步骤与实施例1相同。完成无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配。

Claims (3)

1.一种无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配方法，其特征在于它是由下述步骤组成：
(1)构建传输信号模型
使用全双工协作中继系统传输信息，该系统包括一个信源节点、一个全双工中继节点以及一个目标节点，信源节点和目标节点均配置有单天线，全双工中继节点配置有发送和接收两根天线，将每一传输周期分为两个时隙，第一时隙信源节点发送信息流给全双工中继节点和目标节点，第二时隙信源节点发送能量流给全双工中继节点，同时全双工中继节点用接收的能量解码转发信息流给目标节点，产生可为全双工中继节点充电的回波干扰，全双工中继节点在第一时隙接收的信号yR,1和目标节点在第一时隙接收的信号yD,1分别为：
Figure FDA0003006340270000011
Figure FDA0003006340270000012
其中，α是每一传输周期的功率分配系数、且0<α<1，PS是每一个传输周期信源节点的发射功率，lSR是信源节点到全双工中继节点的距离，m是路径衰减指数，hSR是信源节点到全双工中继节点的信道系数，xS是信源节点发送的信息符号，nR是全双工中继节点的加性高斯白噪声，lSD是信源节点到目标节点的距离，hSD是信源节点到全双工中继节点的信道系数，全双工中继节点在第二时隙接收的信号yR,2和目标节点在第二时隙接收的信号yD,2分别为：
Figure FDA0003006340270000013
Figure FDA0003006340270000014
其中，PR是每一个传输周期全双工中继节点的发射功率、且PR<PS，xE是信源节点发送的能量符号，hSI是回波干扰的信道系数，xR是xS的解码信息符号，lRD是全双工中继节点到目标节点的距离，hRD是全双工中继节点到目标节点的信道系数，nD是目标节点的加性高斯白噪声，构建成传输信号模型；
(2)估计信道状态预测信息
用导频辅助的信道估计方法，在每一传输周期开始前，估计每一信道的信道状态预测信息；
(3)确定每一传输周期的功率分配系数α
用信号传输模型、信道状态预测信息以及最小化中断概率方法确定每一传输周期的功率分配系数α：
Figure FDA0003006340270000021
其中，rth是门限信噪比，β是每一传输周期的时隙分配系数、且0<β<1，
Figure FDA0003006340270000022
是全双工中继节点处加性高斯白噪声的方差；
(4)确定每一传输周期的时隙分配系数β
按照下式建立等式：
Figure FDA0003006340270000023
其中，η是转换效率，
Figure FDA0003006340270000024
是目标节点处加性高斯白噪声的方差，用一维搜索方法的二分法或黄金分割法，确定每一传输周期的时隙分配系数β，按β:1-β比对第一时隙和第二时隙进行分配；
(5)确定系统的中断概率Pout
用每一传输周期的功率分配系数α、每一传输周期的时隙分配系数β以及最大合并比方法，确定系统的中断概率Pout：
Figure FDA0003006340270000031
其中，rSD是第一时隙目标节点接收信噪比，Rth是门限速率，rRD是第二时隙全双工中继节点接收信噪比，完成无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配。
2.根据权利要求1所述的无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配方法，其特征在于：在构建传输信号模型步骤(1)中，所述的PS是每一个传输周期信源节点的发射功率、且取值相等。
3.根据权利要求1所述的无线能量收集型全双工协作中继系统的资源分配方法，其特征在于：在构建传输信号模型步骤(1)中，所述的m是路径衰减指数、且取值为2～4。
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