CN110808769B - 基于ofdm放大转发协作中继的无线携能通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于OFDM放大转发协作中继的无线携能通信方法，属于协作通信领域。该方法基于中继放大转发系统模型实现，包括源节点S、中继节点R、源节点的目的节点D1以及中继节点的目的节点D2。无线携能通信过程包括两个时隙，在第一个时隙，源节点S向外广播信息，中继节点R将一部分子载波用于信息解码，另一部分子载波用于能量采集，D1接收源节点S直接传输的信息。在第二时隙，进行子载波配对，中继节点R利用第一时隙收集的能量及配好对的子载波将源节点S的信息转发到目的节点D1，也利用剩余部分子载波传输自身的信息转发到目的节点D2。本发明将协作中继技术与无线携能通信技术结合，提高传输系统的能量效率和频谱效率，使系统整体性能提高。

Description

基于OFDM放大转发协作中继的无线携能通信方法

技术领域

本发明属于协作通信领域，涉及一种基于OFDM放大转发协作中继的无线携能通信技术。

背景技术

OFDM是正交频分复用系统，它在无线通信系统中具有非常重要的地位。在无线信息传输中，频谱资源非常珍贵。无线电信号以电波作为载体，并且要使用相同的频率进行通信。如果我们同时要进行多个通信，那么就需要有很多不同的频率使各个通信不互相打扰。OFDM的大致原理是当高速的信息流经过时，把他们分成很多低速的信息流，然后再把这些低速信息分配到不同的子信道中传播，当接收机接收到这些信息以后，再把它们合并成为高速度的信息流。在这个系统中，子载波是相互正交的。由于系统的这一特性使得子载波得到充分的利用，也能够提高频带利用率。

在传统的无线通信中，无线电波的射频(RF)能量以热能的形式耗散，导致大量的能量消耗。无线携能通信是一种新型的无线通信范例。与传统无线通信不同的是，无线携能通信在传播无线信号的同时能够携带能量，所以它可以在传递信息的同时给无线装备供电。能量信号在进入安装了转换器的无线设备以后，将采集到的能量转化为电能储存到设备中，这些电能能够供应自身电量的消耗并且同时承担转换设备所需要的能量。无线携能通信方法大大减少了无线设备所需成本，同时避免了每隔一段时间就要更换电池的工作。无线携能通信方法的两个模型是功率分配(PS)和时间切换(TS)。TS在接收器的不同时隙内实现能量收集和信息解码，PS将接收到的信号分成两个功率流，一个用于能量收集，另一个用于信息解码。

协作通信是通过部署中继将源节点的信息转发到远程或衰落区域中的目的节点，协作通信可以提高无线通信的可靠性，容量和覆盖范围。它可以通过使用空间复用来提高分集增益来提高传输性能。它的协作模式主要可以分为放大转发(AF)模式和解码转发(DF)模式。AF模式中中继线性放大源节点信号，并将其发送到目的节点而不进行解码，DF则需要正确地解码源节点的信号，然后将重新编码的信号发送到目的节点。

现有的协作通信技术存在如下缺陷：

(1)在协作中继系统中，中继只是帮助转发源节点的信息，并没有考虑到中继节点自身的信息传输；

(2)在协作通信中，中继帮助源节点转发信息消耗部分能量，而这部分能量原本应该用于中继自身的信息传输。这样会导致中继节点的能量效率很低；

(3)TS由于需要准确的划分时隙，所以要求精确的时间同步，而这会增加算法的复杂性。由于PS会降低协作系统的信噪比，所以会导致系统的解码能力较差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种考虑中继自身信息传输的通信方法。该通讯方法中将协作中继技术与无线携能通信技术进行结合，使无线携能通信可以应用在低成本、低复杂度的无线传感器网络中，同时也能够进一步提高频谱效率和能量效率。采用放大转发的协作方式，对子载波和功率进行联合分配，保证中继节点在不牺牲任何代价的情况下转发源节点信息。同时，中继节点也能够传递自身的信息到目的节点。这种方法提高了传输系统的能量效率和频谱效率，使得系统整体性能提高。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案具体为：

一种基于OFDM放大转发协作中继的无线携能通信方法，该方法基于中继放大转发系统模型实现，放大转发系统模型包括一个源节点S、一个中继节点R、源节点的目的节点D1以及中继节点的目的节点D2。其中源节点S可以通过中继节点R来转发信息到目的节点D1，同时源节点S也能直接传输信息到目的节点D1。中继节点R可以直接传输信息到自身的目的节点D2。无线携能通信方法就是在节点之间传输信息的过程中同时进行能量的采集，并且将采集的能量转换为电能供应自身使用。整体无线携能通信过程包括两个时隙，在第一个时隙中，源节点S向外广播信息；中继R将一部分子载波用于信息解码，另一部分子载波用于能量采集，目的节点D1能够接收到源节点S直接传输的信息。在第二时隙，首先进行子载波的配对，将每个子载波分配好。中继R利用第一时隙收集的能量以及配好对的子载波将源节点S的信息转发到目的节点D1。同时中继节点R也利用剩余部分子载波传输自身的信息到自己的目的节点D2。所述的基于放大转发的无线携能通信方法包括以下步骤：

第一时隙：

(1)源节点S以广播的方式传送消息序列，整体带宽为K，代表K个子载波，并且每个子载波上的信道增益不同，一个子载波不能同时用于能量采集和信息解码；

(2)目的节点D1在第一时隙利用全部的K个子载波来进行信息解码，接收源节点S直接传输过来的信息；

(3)中继节点R根据信道增益来判断信道条件的优劣，并根据信道优劣将子载波从1,2,...,K排序，将信道条件优越的子载波分配进行信息解码，当所分配子载波1,2,...,n解码信息的速率满足传输速率时，再将剩余的K-n个子载波分配去进行能量采集；

(4)中继R先利用信道条件好的前n个子载波传输源节点S发送的信息，再对发送来的信息进行简单的线性放大。剩余的K-n个子载波进行能量采集的，利用能量转换器将采集到的能量储存起来。

第二时隙：

(5)由于第二时隙所有子载波的信道增益发生变化，所以需要重新判断信道条件的优劣，并根据信道从优到劣将子载波重新进行排序。此时由于第一时隙已经给子载波编号，所以第二时隙的排序可能是乱序的，然后再将两个时隙的子载波进行配对，配对原则是：第一时隙编号为i的子载波匹配第二时隙排在第i位上的子载波；

(6)中继节点R利用与第一时隙1,2,...,n所匹配的子载波去转发已经放大过的源节点S的信息到目的节点D1；

(7)中继R利用剩余的与第一时隙n+1,n+2,...,K配对的子载波，也就是与进行能量采集的那部分子载波配对的子载波，转发自身信息到中继R自己的目的节点D2；

(8)在第二时隙中继R转发源节点信息加上直接传输自身信息所消耗的能量，是第一时隙n+1,n+2,...,K这部分子载波采集的能量再加上小部分的外部供能。

(9)目的节点D1收到的源节点S的信息来自于第一时隙源节点的直接传输以及第二时隙中继节点R的转发。

本发明的有益效果为：在不影响源节点S正常通信的前提下，考虑了中继R自身的信息传输。利用信道条件相对较差的子载波来传输中继的信息，这样充分的利用了子载波资源并且提高了子载波的利用率。子载波分配与协作通信相结合，避免了TS方案中需要考虑时间同步的问题，以及PS方案中解码能力差的问题。两个时隙的子载波配对方法提高了系统的吞吐量。

附图说明

图1是本发明的AF模型结构图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1为基于OFDM放大转发的系统模型，该系统由一个源节点(S)、一个中继节点(R)、源节点的目的节点(D1)以及中继节点的目的节点(D2)。其中源节点(S)需要通过中继节点(R)来转发信息到目的节点(D1)，中继节点(R)可以直接传输信息到自身的目的节点(D2)。在第一时隙内，源节点(S)发送信息给中继节点(R)和目的节点(D1)，中继节点(R)用部分子载波G_I接收信息并解码，用剩余部分子载波G_E来收集能量。目的节点(D1)则用全部子载波接收信息。整个带宽被分成16个子载波,子载波的噪声假定为加性高斯白噪声，并服从正态分布。

在第二个时隙内，中继节点(R)利用其在第一个时隙内收集到的能量以及外加电源提供的部分能量，帮助转发源节点(S)的信息到目的节点D1。同时，中继节点也转发自身的信息到目的节点D2。同样，该时隙中整个带宽被分为16个子载波，将第二时隙的子载波与第一时隙进行配对。目的节点D1接收来自于中继(R)转发的信息以及源节点(S)直接传输的信息。第二时隙的噪声也为加性高斯白噪声并且服从正态分布。

具体工作步骤如下：

第一时隙：

(1)源节点S广播信息，整体带宽被分为16个子载波，并且每个子载波上的信道增益不同；

(2)目的节点D1在第一时隙利用全部的16个子载波来进行信息解码，接收源节点S直接传输过来的信息；

(3)中继节点R根据信道增益来判断信道条件的优劣，并将子载波从1,2,...,16排序，其中序号为1的子载波信道条件最优。假如所分配的前8个子载波解码信息的速率满足传输速率，则G_I＝{1,2,...,8}，然后利用剩余的G_E＝{9，10,...,16}子载波分配去进行能量采集；

(4)中继R先利用信道条件好的前8个子载波传输源节点S发送的信息，再对发送来的信息进行简单的线性放大。剩余的8个子载波进行能量采集的，利用能量转换器将采集到的能量储存起来。

第二时隙：

(5)由于第二时隙所有子载波的信道增益发生变化，所以需要重新判断信道条件的优劣，例如第一时隙信道增益最大的子载波编号为1，第二时隙信道增益最大的子载波可能变为编号5，所以将1与5配对，按照此规律将子载波重新排序；

(6)中继R再利用与第一时隙1,2,...,8所匹配的子载波去转发源节点的信息到目的节点D1；

(7)中继R利用剩余的子载波，也就是与进行能量采集匹配的子载波，转发自身信息到自己的目的节点D2；

(8)在第二时隙中继R转发所消耗的能量，是第一时隙子载波采集的能量加上小部分外加能量；

(9)目的节点D1收到的源节点S的信息来自于第一时隙源节点的直接传输以及第二时隙中继节点R的转发。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于OFDM放大转发协作中继的无线携能通信方法，其特征在于，所述的无线携能通信方法基于中继放大转发系统模型实现，放大转发系统模型包括一个源节点S、一个中继节点R、源节点的目的节点D1以及中继节点的目的节点D2；整体无线携能通信过程包括两个时隙，在第一个时隙中，源节点S向外广播信息；中继R将一部分子载波用于信息解码，另一部分子载波用于能量采集，目的节点D1接收到源节点S直接传输的信息；在第二时隙，首先进行子载波的配对，中继节点R利用第一时隙收集的能量以及配好对的子载波将源节点S的信息转发到目的节点D1，同时中继节点R也利用剩余部分子载波传输自身的信息到自己的目的节点D2；具体包括以下步骤：

第一时隙：

(1)源节点S以广播的方式传送消息序列，整体带宽为K，代表K个子载波，并且每个子载波上的信道增益不同，一个子载波不能同时用于能量采集和信息解码；

(2)目的节点D1在第一时隙利用全部的K个子载波来进行信息解码，接收源节点S直接传输过来的信息；

(3)中继节点R根据信道增益来判断信道条件的优劣，并根据信道优劣将子载波从1,2,...,K排序；将信道条件优越的子载波分配进行信息解码，当所分配子载波1,2,...,n解码信息的速率满足传输速率时，再将剩余的K-n个子载波分配去进行能量采集；

(4)中继R先利用信道条件好的前n个子载波传输源节点S发送的信息，再对发送来的信息进行简单的线性放大；剩余的K-n个子载波进行能量采集的，利用能量转换器将采集到的能量储存起来；

第二时隙：

(5)第二时隙所有子载波的信道增益发生变化，重新判断信道条件优劣，并根据信道从优到劣将子载波重新进行排序，并将两个时隙的子载波进行配对，配对原则是：第一时隙编号为i的子载波匹配第二时隙排在第i位上的子载波；

(6)中继节点R利用与第一时隙1,2,...,n所匹配的子载波去转发已经放大过的源节点S的信息到目的节点D1；

(7)中继R利用剩余的与第一时隙n+1,n+2,...,K配对的子载波，也就是与进行能量采集的那部分子载波配对的子载波，转发自身信息到中继R自己的目的节点D2；

(8)在第二时隙中继R转发源节点信息加上直接传输自身信息所消耗的能量，是第一时隙n+1,n+2,...,K这部分子载波采集的能量再加上小部分的外部供能；

(9)目的节点D1收到的源节点S的信息来自于第一时隙源节点的直接传输以及第二时隙中继节点R的转发。

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