CN110730025A - 一种适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法，包括：信源发送探测信号；远端用户根据探测信号判断直达路径是否支持目标速率的传输并向信源广播第一反馈信号；信源接收第一反馈信号，若其为支持目标速率的传输，则在第一时隙和第二时隙中采用直接非正交多址方式进行信息传输；若第一反馈信号为不支持目标速率的传输，则判断近端用户的能量采集状况；如果近端用户采集的能量小于预设门限值，则在第一时隙和第二时隙中采用直接非正交多址方式进行信息传输；如果采集的能量大于预设门限值，则采用协作非正交多之方式进行信息传输。本发明提供的增量中继方法可以对非正交多址的中断概率和吞吐量进行优化。
Description
技术领域
本发明是关于无线通信技术领域，特别是关于一种适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法。
背景技术
现阶段，在通信系统中，中继节点大都是能量有限节点,在很多情况下给节点充电或者更换电池是很不方便或者要花费很大代价的，所以如何延长通信系统的使用寿命成为一个备受关注的研究热点。此外，在能源日益短缺的今天,如何降低能源消耗也是通信行业研究的一个热点问题。于是，无线携能通信(Simultaneous Wireless Information andPower Transfer，SWIPT)技术应运而生,它是一种新型的无线通信类型，无线携能通信可以同时传输信号和能量，即在与无线设备进行信息交互的同时，为无线设备提供能量。从而延长无线网络的寿命并且提高能量利用率。
另一方面,传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术将不能满足未来无线网络在系统容量和频谱利用率等方面的新需求,于是非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术作为一种新兴的多址接入技术,越来越受到人们的关注。
参见文献1(Y.Liu,Z.Ding,M.Elkashlan et al.,“Cooperative non-orthogonalmultiple access with simultaneous wireless information and power transfer,”IEEE J.Sel.Areas Commun.,vol.34,no.4,pp.938-953,Apr.2016.)、文献2(M.Vaezi,R.Schober,Z.Ding et al.,“Non-orthogonal multiple access:Common myths andcritical questions,”Sep.2018.)、文献3(Y.Liu,H.ding,J.Shen et al.,“Outageperformance analysis for SWIPT based cooperative non-orthogonal multipleaccess systems”,IEEE Commun.Lett.,vol.23,no.9,pp.1501-1505,Sep.2019.)、文献4(E.Boshkovska,D.W.K.Ng,N.Zlatanov et al.,“Practical non-linear energyharvesting model and resource allocation for SWIPT systems,”IEEECommun.Lett.,vol.19,no.12,pp.2082-2085,Dec.2015.)、文献5(G.Lu,L.Shi,and Y.Ye,“Maximum throughput of TS/PS scheme in an AF relaying network with non-linearenergy harvester,”IEEE Access,vol.6,pp.26617-26625,2018)、文献6(L.Shi,W.Cheng,Y.Ye et al.,“Heterogeneous power-splitting based two-way DF relaying withnon-linear energy harvesting,”in Proc.IEEE Globecom,Abu Dhabi,United ArabEmirates,Dec.2018,pp.1-7)、文献7(J.N.Laneman,D.N.C.Tse,and G.W.Wornell,“Cooperative diversity in wireless networks:Efficient protocols and outagebehavior,”IEEE Trans.Inf.Theory,vol.50,no.12,pp.3062-3080,Dec.2004.)、文献8(S.S.Ikki and M.H.Ahmed,“Performance analysis of incremental relayingcooperative-diversity networks over Ray-leigh fading channels,”IET Commun.,vol.5,no.3,pp.337-349,Feb.2011.)、文献9(S.S.Ikki and M.H.Ahmed,“Performanceanalysis of cooperative diversity with incremental-best-relay technique overRayleigh fading channels,”IEEE Trans.Commun.,vol.59,no.8,pp.2152-2161,Aug.2011.)、文献10(G.Li,D.Mishra,and H.Jiang,“Cooperative NOMA withincremental relaying:performance analysis and optimization,”IEEETrans.Veh.Technol.,vol.67,no.11,pp.11291-11295,Nov.2018.)。
文献1中作者研究了基于无线携能通信的非正交多址网络中传统协作非正交多址协议的中断性能。假设动态功率分割因子等于0时，已经提出的方案将会浪费第二个时隙。在文献1中，功率分配系数是常数，它会导致近端用户产生较差的中断性能。在文献2中的作者指出，非正交多址的主要目的是服务尽可能多的用户，换句话说，基于非正交多址的网络必须要确保用户使用的公平性。文献3中作者提出的方案是被功率分配系数和动态功率分割因子所决定的，去优先满足近端用户的需求，当动态分割因子等于0时，可以使得网络变成直传非正交多址发送模式。分析结果表明,文献3中所提出的方案要比文献1中的方案在吞吐量上有着更好的表现。值得注意的是在文献1和文献3中的网络仍然采用一个线性的能量采集器。文献4中的作者提出由于在电路中二极管、电感器和电容器具有非线性的特点，因此在实际使用中能量采集器也表现出非线性的特点。文献4中，为了代替指数非线性模型，我们采用分段线性模型把整个的非线性范围分割成多个分段线性片段。使用上述方法的好处，除了在数学计算上易于处理之外，文献5和文献6中的作者提出分段模型通过选择片段的合适数目来提供足够的精确度。这个发现促使我们采用分段模型对非线性能量采集器的特性进行建模。文献7中作者提出了在每次发送信息前，会在1bit反馈信号的帮助下，来决定是否需要中继将信号传递到目的节点，通过这种方式增量中继能够达到更好的性能。在文献8和文献9中作者的分析结果表明基于增量中继的协作通信比传统的协作通信模型有更高的吞吐量。在文献10中作者在恒定能量的传统协作非正交多址网络中，增量协作非正交多址协议的中断性能已经被研究。
基于此，本申请的发明人发现，假设中继节点能够聚集能量，此时采用无线携能通信技术来满足中继节点的需求是一个不错的选择。但是，在基于无线携能通信的非正交多址网络中，增量协作非正交多址协议的中断性能尚未被研究。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法，其能够对非正交多址的中断概率和吞吐量进行优化。
为实现上述目的，本发明提供了一种适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法，将传输帧划分为第一时隙和第二时隙，第一时隙和第二时隙时间间隔相等，所述增量中继方法包括：在第一个时隙前，信源向远端用户以及近端用户发送探测信号；远端用户根据探测信号判断直达路径是否支持目标速率的传输，根据判断结果，向信源广播第一反馈信号；信源接收所述第一反馈信号，若所述第一反馈信号为支持目标速率的传输，则在第一时隙和第二时隙中，采用直接非正交多址方式进行信息传输；若所述第一反馈信号为不支持目标速率的传输，则判断近端用户的能量采集状况；如果近端用户采集的能量小于预设门限值，则在第一时隙和第二时隙中，采用直接非正交多址方式进行信息传输。
在一优选的实施方式中，所述向信源广播第一反馈信号之后，还包括：近端用户接收所述远端用户广播的第一反馈信号；若所述反馈信号为不支持目标速率的传输，且采集的能量小于预设门限值，则所述近端用户向源节点和远端用户广播第二反馈信号。
在一优选的实施方式中，所述近端用户采集的能量小于预设门限值包括：若接收到近端用户发送的第二反馈信号，则判断近端用户采集的能量小于预设门限。
在一优选的实施方式中，所述若所述第一反馈信号为不支持目标速率的传输，则判断近端用户的能量采集状况之后，还包括：若近端用户采集的能量大于等于预设门限，此时近端节点不发送反馈信息，系统采用协作的非正交多址方式进行信息传输。
在一优选的实施方式中，在第一个时隙T中，在远端用户U1中接收到的解码信息为
近端用户U2中接收到的解码信息为
其中，h1为信源S至远端用户U1通信信道的系数，h2为信源S至近端用户U2通信信道的系数，h3为近端用户U2至远端用户U1通信信道的系数；Ps是信源S发送的额定发送功率，n1(t)为远端用户U1接收到的加性高斯白噪声，n2(t)为近端用户接收到的加性高斯白噪声；U1和U2的功率分配系数分别为a1,a2；s1(t)是信源S向远端用户U1发送的信号，s2(t)是信源S向远端用户U2发送的信号；ρ是动态功率分割因子，表示在近端用户U2处发送到能量采集器的接收功率部分。
在一优选的实施方式中，在U1处对s1(t)进行解码的信号干扰加噪比(SINR)
在U2处信号对s1(t)进行解码的干扰加噪声比
在U2处信号对s2(t)进行解码的干扰加噪声比
其中为输入信噪比(SNR)。
在一优选的实施方式中，近端用户设置有非线性能量采集器，所述非线性能量采集器用于采集能量；
近端用户U2采集到的能量PEH为
其中，能量采集器的输入功率PRF＝ρ*PS|h2|2，
分别是N+1个线性范围的阈值功率，ai和bi是第i段的范围和截距，PM为电路处于饱和状态时，最大的输出功率。
与现有技术相比，根据本发明的适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法，通过对远端用户的目标速率以及近端用户采集到能量的判断，对非正交多址的中断概率和吞吐量进行优化。具体的，与直传非正交多址协议相比，增量协作非正交多址协议具有几乎相同的吞吐量，但是明显改善了远端用户的中断概率性能；与传统协作非正交多址协议相比，增量协作非正交多址协议有相同的中断概率，但是显著提升了系统吞吐量。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法的流程图。
图2是根据本发明另一实施方式的适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法的流程图。
图3是根据本发明一实施方式的增量中继方法的远端用户在不同协议内的中断性能的比较。
图4是根据本发明一实施方式的增量中继方法的近端用户在不同协议内的中断性能的比较。
图5是根据本发明一实施方式的增量中继方法在不同协议内系统吞吐量的比较。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
我们提出的基于无线携能通信的协作非正交多址网络由三个节点组成，包括一个源节点S，一个远端用户节点U1(远离源节点)，一个近端用户节点U2(靠近源节点也就是中继节点)。其中S→U1,S→U2,U2→U1的连接距离分别记为d1,d2,d3，同时通信信道系数分别被记为h1,h2,h3。所有的信道均服从独立非同分布瑞利衰落信道，其中均值分别为
所有的信道可以进一步被假设为准静态(每次传输帧，信道状态都是恒定的，但是在不同的传输帧之中可能会发生变化)。每次的传输帧记作为2T，每个传输帧都能被分成两个等时间长度的时隙T，即第一时隙以及第二时隙。所有的节点均配备有单根天线。在U1、U2中，假设接收到的噪声信号为高斯白噪声，其中噪声是均值为0，方差为σ2。
如图1所示，其为根据本发明一优选实施方式的适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法的流程图，其中，每个传输帧都被划分为第一时隙和第二时隙，第一时隙和第二时隙时间间隔相等，增量中继方法包括：
步骤S1，在第一个时隙前，信源向远端用户以及近端用户发送探测信号；
步骤S2，远端用户根据探测信号判断直达路径是否支持目标速率的传输，根据判断结果，向信源广播第一反馈信号；
其中，直达路径为S→U1,中继路径是S→U2→U1。如果满足远端用户目标速率第一反馈信号为1bit ACK信号，近端用户和源节点都能收到。如果不满足远端用户目标速率，则第一反馈信号为1bit NACK信号。
步骤S3，信源接收所述第一反馈信号，若所述第一反馈信号为支持目标速率的传输，则在第一时隙和第二时隙中，采用直接非正交多址方式进行信息传输；
如果第一反馈信号是ACK信号，则采用直接非正交多址方式(direct NOMAtransmission，DNT)传输信息给远端、近端用户。
步骤S4，若所述第一反馈信号为不支持目标速率的传输，则判断近端用户的能量采集状况；
其中，不支持目标速率的传输表示为第一反馈信号为NACK信号。
在一种实现方式中，步骤S2之后，还包括：近端用户接收所述远端用户广播的第一反馈信号；若所述第一反馈信号为不支持目标速率的传输，且采集的能量小于预设门限值，则所述近端用户向源节点和远端用户广播第二反馈信号。
其中，第二反馈信号为1bit NACK信号。近端用户U2作为中继节点首先采集能量，然后使用采集到的能量转发远端用户的信号，从而改善远端用户的性能。
步骤S5，如果近端用户采集的能量小于预设门限值，则在第一时隙和第二时隙中，采用直接非正交多址方式进行信息传输。
其中，近端用户采集的能量小于预设门限值包括：若接收到近端用户发送的第二反馈信号，则判断近端用户采集的能量小于预设门限值。这种情况下，近端用户会广播1bitNACK信号给源节点和远端用户。
步骤S6，若近端用户采集的能量大于等于预设门限，此时近端节点不发送反馈信息，在第二时隙中系统采用协作的非正交多址方式(conventional cooperative NOMAtransmission,CCN)进行信息传输。
其中，在CCN模式下，第二时隙是用来中继的。
由此，本实施例提供的适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法，通过对远端用户的目标速率以及近端用户采集到能量的判断，对非正交多址的中断概率和吞吐量进行优化。具体的，与直传非正交多址协议相比，增量协作非正交多址协议具有几乎相同的吞吐量，但是明显改善了远端用户的中断概率性能；与传统协作非正交多址协议相比，增量协作非正交多址协议有相同的中断概率，但是显著提升了系统吞吐量。
以下通过公式对本实施例的有益效果进行详细描述。
在第一个时隙T中，在远端用户U1中接收到的解码信息为
近端用户U2中接收到的解码信息为
其中，h1为信源S至远端用户U1通信信道的系数，h2为信源S至近端用户U2通信信道的系数，h3为近端用户U2至远端用户U1通信信道的系数；Ps是信源S发送的额定发送功率，n1(t)为远端用户U1接收到的加性高斯白噪声，n2(t)为近端用户接收到的加性高斯白噪声；U1和U2的功率分配系数分别为a1,a2；s1(t)是信源S向远端用户U1发送的信号，s2(t)是信源S向远端用户U2发送的信号；ρ是动态功率分割因子，表示在近端用户U2处发送到能量采集器的接收功率部分。
基于(1)-(2)，在U1处对s1(t)进行解码的信号干扰加噪比(SINR)
在U2处信号对s1(t)进行解码的干扰加噪声比
在U2处信号对s2(t)进行解码的干扰加噪声比
其中为输入信噪比(SNR)。
为了保证用户的公平性，在这篇文章中，对于功率分配系数而言，我们优先满足在U2处解码U1和U2信号的要求。这个功率分配系数可以被写成
和
其中R1和R2分别是U1和U2的目标速率，其相应的阈值信噪比(信噪比)可以被分别计算为
和
相应地，动态功率分割因子可以被表示为
其中
只要ρ*＞0，U2就绝对不会产生中断，反之亦然。
在分析中断概率性能之前，我们首先需要引入分段线性模型。在能量采集器中整个非线性范围能够被分成N+1个非线性片段，并且每一个片段都可以建模为一个线性函数。因此，近端用户U2收集的功率可以计算为
其中，对于能量采集器，射频信号的功率PRF＝ρ*PS|h2|2是近端用户的能量采集器的输入功率，PEH则是能量采集器的输出功率，输出功率肯定是小于输入的，因为采集过程有损耗。
分别是N+1个线性范围的阈值功率，ai和bi是第i段的范围和截距，PM为电路处于饱和状态时，最大的输出功率。通过式子(3),我们可以较容易的知道a1＝b1＝0和aN+1＝0,bN+1＝PM。
如图2所示，其为根据本发明另一优选实施方式的适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法的流程图，在第一个时隙T前，S将首先发送一个简短的探测信号，接着基于这个探测信号，U1判断是否直达路径能够支持传输目标速率R1。假设成立的条件下，在整个传输帧2T过程中，U1发送一个1bit的确认应答到S和U2，接着信源S将以速率R1发送叠加信号s1(t)，以速率R2发送叠加信号s2(t)。在这种情况下，我们提出的协议等价于直传非正交多址发送一种。在直传非正交多址发送模式中，为了减少中断概率，U2将会使用接收到的功率去解码信号，此时，ρ*＝0。否则，U1发送一个1bit的否认应答到S和U2处。在这种情况下，这里就需要考虑两种场景，也就是PEH＝0和PEH＞0。当PEH＝0时，在U2处没有采集到能量，U2不能帮助U1转发信息。为了避免时间资源的浪费，在这种场景下，如果ρ*＞0和
同时成立，尽管PEH＝0，但是非零的动态功率分割因子能够使U2不中断。因此，这个退化的设计能够增强U2的吞吐量。特别的，对于这种情况ρ*＞0和
时，尽管PEH＝0，这个非零动态功率分割能够使U2不会出现中断。因此，这个退化的设计能够增强U2的吞吐量。另一方面，假设PEH＞0，在第二个时隙T中，U2将会利用已经收集的能量去转发解码的信号s1(t)到U1。这种场景下，现存传输帧中，有效的发送时间等于T。
总之，对于每一个传输帧，这里有三种可能情况：
情况1：假设这个直达路径连接质量足够好可以支持传输目标速率R1，在整个传输帧2T中，该网络将采用直传非正交多址模式。
情况2：假设直达路径连接不能支持传输目标速率R1和当PEH＝0时，以及后续相应的一些情况(例如ρ*＞0和
或者ρ*＝0时)，该网络在整个传输帧2T中，系统将退化为直传非正交多址模式。
情况3：在第二个时隙T中，假设直达路径连接不能支持传输目标速率R1和当PEH＞0时，S则保持静默，U2转发U1的信号。
因此，在情况1和情况2中可以知道，我们提出的增量协作非正交多址协议是等价于直传非正交多址的一种，并且在情况3中，我们提出的增量协作非正交多址协议等价于传统协作非正交多址的一种。
以下对中断和吞吐量进行分析。
如果PEH＞0时，在第二个时隙中采用最大合并比方式，U1处的干扰加噪比可以被计算为：
为了方便计算，将|h1|2，|h2|2，|h3|2分别记为X,Y,Z。因此，我们可以分别写出X,Y,Z的概率密度函数为
对应上述的三种情况，对于U1的中断概率分析能够写成如下情况。在情况1中，U1绝对不会出现中断状态。在情况2中，U1总是处在中断状态。在情况3中，U1有可能会出现中断状态。因此，对于远端用户的中断概率分析可以被写成如下表示：
其中
分别是上述三种网络情况的概率，P1 F、
分别是相应的中断概率。基于上述分析，
和P1 F的表达式可以被写成：
的表达式可以被写成：
且
P3 F的表达式可以被写成：
其中，在PEH＝aiPRF+bi(i＝2,...,N)情况时，U1的中断概率可以写成
在PEH＝PM情况时，U1的中断概率可以写成P32。
在(10)中，利用高斯-切比雪夫求积分公式对变量y和变量x依次求积分，我们能够得到公式(11)。在(11)中，
以及
和N2是决定精度和复杂度的参数。
P32能够写成(12)-(14)，
在(13)中，利用高斯切比雪夫公式对变量x求积分，因此公式(14)可以被推导出来。在(14)中，
以及同样的，N3也是决定精度和复杂度的重要参数。
值得注意的是，对于U1而言，具有相同分段线性能量采集器和相同功率分配系数以及动态功率分割因子设计的传统协作非正交多址协议，与我们提出的增量协作非正交多址协议相比有着相同的中断性能。根据U2获得能量的多少，原因可以被解释为：当
时，对于每一个特定的传输帧，假设直达路径的通信质量能够支持R1速率的传输，此时对于增量协作非正交多址协议和传统协作非正交多址协议，远端用户节点U1不处于中断状态。当
时，假设在增量协作非正交多址协议中远端用户U1处在中断状态，远端用户U1必然也在传统协作非正交多址中产生中断状态，反之亦然。对于远端用户U1而言，在我们提出的网络中，当直达路径连接不处于中断状态时，增量中继仅仅能够增加有效的传输时间，但是与传统协作非正交多址协议相比，它不能提高中断性能。在接下来的论述中，上述方式将会通过计算机仿真进行证明。
仅当ρ*＝0时，近端用户U2可能会处在中断状态，所以近端用户U2的中断概率能够被写成：
值得注意的是，对比增量协作非正交多址协议，对于近端用户U2而言，具有相同功率分配系数和动态功率分割因子设计的传统协作非正交多址协议和具有相同功率分配系数设计的直传非正交多址传输协议有着相同的中断性能。这是因为：假设采用相同的设计，中断概率是通过中继信道增益h22来决定的。这种退化设计仅仅体现了近端用户U2吞吐量增加的优势，上述方法会在下文分析。
当整个网络工作在协作模式下，吞吐量的计算没有考虑到在系统吞吐量中的中断概率的影响。在每个传输帧中，吞吐量能够被定义为成功传输的比特。通过上述定义，增量协作非正交多址协议的吞吐量能够被表示成有效传输时间、相应的成功概率和目标速率的乘积。
特别地，对于远端用户U1而言，吞吐量的表达式可以写成：
在公式(16)，
U2吞吐量的表达式可以写成：
在公式(17)中，
该系统的吞吐量可以表示为
图2为本实施例提供的增量中继方法的远端用户在不同协议内的中断性能的比较(α＝3)，图3为本实施例提供的增量中继方法的近端用户在不同协议内的中断性能的比较(α＝3)，图4为本实施例提供的增量中继方法在不同协议内系统吞吐量的比较(α＝3)。
如图2所示，在不同目标速率对中，分析的结果和仿真结果有很好的拟合度。在增量协作非正交多址和传统协作非正交多址协议中，无论是R1＜R2还是R1＞R2，近端的用户充当中继可以明显增强远端用户的中断性能。正如上述分析，我们提出的增量协作非正交多址协议和传统协作非正交多址协议有相同的性能。
如图3所示，增量协作非正交多址、传统协作非正交多址和直传非正交多址传输协议有相同的中断性能。这是因为上述协议均具有相同的设计，对功率分配系数和动态功率分割因子进行分析，得出近端用户中断情况为
如图4所示，在整个信噪比系统中，由于有效传输时间长，增量协作非正交多址和直传协作非正交多址协议有着比传统协作非正交多址协议更高的吞吐量。在低信噪比中(γin＝10～35dB)，增量协作非正交多址和直传非正交多址传输协议有着相同的吞吐量。原因可以被解释如下：在低信噪比系统中，假设直达路径连接能够支持目标速率的传输，我们提出的增量协作非正交多址协议将会工作在直传非正交多址模式。假设直达路径连接是处于中断状态，低的输入信噪比使近端用户U2收集的能量不足，并且系统退化的设计能够确保增量协作非正交多址协议与直传非正交多址传输协议有相同的传输时间。在这种情况下，上述协议中近端用户U2有着相同的中断概率。因此，仿真结果表明了上述结果。在高信噪比系统中(γin＝50～60dB)，由于增量协作非正交多址和直传非正交多址传输的有效传输时间是传统协作非正交多址的两倍，三种协议的中断概率均为0，前两种协议的吞吐量是第三种的两倍。
介于中间值的信噪比系统(γin＝35～50dB)，当(R1＝2,R2＝0.5)和(R1＝1,R2＝0.3)时以及当(R1＝0.3,R2＝0.5)情况相反时，我们提出的增量协作非正交多址协议的吞吐量稍高于直传非正交多址传输。这是因为：尽管R1越大，直达路径的中断越高，足够大的输入信噪比将会减小最终结合信号的中断概率。并且在这种情况下，有效传输时间会减半，但是对于系统吞吐量而言，较大的R1是主要的因素。当(R1＝0.3，R2＝0.5)，R2是主要因素，我们也有相似的解释。除了上述情况，在其他信噪比系统中，与直传非正交多址传输协议相比，增量协作非正交多址协议有许多相同的性能。如图2所示，值得注意的是，尽管增量协作非正交多址和直传非正交多址传输具有几乎相同的吞吐量，但是通过转发近端用户U2使得远端用户U1的中断性能明显提高。
因此本发明公开了一种适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法。每个传输帧都被划分为两个相等的时隙。在第一个时隙T中，信源会向远端用户U1发送一个简短的探测信号，通过该探测信号，远端用户U1判断直达路径是否支持目标速率的传输。在第二个时隙T中，信源会根据远端用户U1的反馈信号结合能量采集状况进行判断后再结合对应的传输模式向近端用户U2和远端用户U1发送信号，通过这种方式，与直传非正交多址协议相比，增量协作非正交多址协议有相同的吞吐量，但是在远端用户U1的中断概率上有明显的提高。与传统协作非正交多址协议相比，增量协作非正交多址协议有相同的中断概率，但是在吞吐量上有更好的提升。
本实施例提供的增量中继方法，在携能协作NOMA中，采用非线性能量采集器，相比于线性能量采集器，非线性能量采集器更符合电路的实际输出；为了便于处理，将能量采集器的非线性特性等效成分段线性的能量采集器，而且等价模型的精度很高；为了进一步改善性能，考虑了退化成DNT的机制。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (7)
1.一种适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法，将传输帧划分为第一时隙和第二时隙，第一时隙和第二时隙时间间隔相等，其特征在于，所述增量中继方法包括：
在第一个时隙前，信源向远端用户以及近端用户发送探测信号；
远端用户根据探测信号判断直达路径是否支持目标速率的传输，根据判断结果，向信源广播第一反馈信号；
信源接收所述第一反馈信号，若所述第一反馈信号为支持目标速率的传输，则在第一时隙和第二时隙中，采用直接非正交多址方式进行信息传输；
若所述第一反馈信号为不支持目标速率的传输，则判断近端用户的能量采集状况；
如果近端用户采集的能量小于预设门限值，则在第一时隙和第二时隙中，采用直接非正交多址方式进行信息传输。
2.如权利要求1所述的增量中继方法，其特征在于，所述向信源广播第一反馈信号之后，还包括：
近端用户接收所述远端用户广播的第一反馈信号；
若所述反馈信号为不支持目标速率的传输，且采集的能量小于预设门限值，则所述近端用户向源节点和远端用户广播第二反馈信号。
3.如权利要求2所述的增量中继方法，其特征在于，所述近端用户采集的能量小于预设门限值包括：
若接收到近端用户发送的第二反馈信号，则判断近端用户采集的能量小于预设门限。
4.如权利要求值1所述的增量中继方法，其特征在于，所述若所述第一反馈信号为不支持目标速率的传输，则判断近端用户的能量采集状况之后，还包括：
若近端用户采集的能量大于等于预设门限，此时近端节点不发送反馈信息，系统采用协作非正交多址方式进行信息传输。
5.如权利要求3所述的增量中继方法，其特征在于，在第一个时隙T中，在远端用户U1中接收到的解码信息为
近端用户U2中接收到的解码信息为
其中，h1为信源S至远端用户U1通信信道的系数，h2为信源S至近端用户U2通信信道的系数，h3为近端用户U2至远端用户U1通信信道的系数；Ps是信源S发送的额定发送功率，n1(t)为远端用户U1接收到的加性高斯白噪声，n2(t)为近端用户接收到的加性高斯白噪声；U1和U2的功率分配系数分别为a1,a2；s1(t)是信源S向远端用户U1发送的信号，s2(t)是信源S向远端用户U2发送的信号；ρ是动态功率分割因子，表示在近端用户U2处发送到能量采集器的接收功率部分。
6.如权利要求5所述的增量中继方法，其特征在于，在U1处对s1(t)进行解码的信号干扰加噪比(SINR)
在U2处信号对s1(t)进行解码的干扰加噪声比
在U2处信号对s2(t)进行解码的干扰加噪声比
其中
为输入信噪比(SNR)。
7.如权利要求6所述的增量中继方法，其特征在于，近端用户设置有非线性能量采集器，所述非线性能量采集器用于采集能量；
近端用户U2采集到的能量PEH为
其中，能量采集器的输入功率PRF＝ρ*PS|h2|2，分别是N+1个线性范围的阈值功率，ai和bi是第i段的范围和截距，PM为电路处于饱和状态时，最大的输出功率。
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