CN111031552A - 携能中继系统中能量采集与译码转发自适应时间切换方法 - Google Patents

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CN111031552A CN201910978223.8A CN201910978223A CN111031552A CN 111031552 A CN111031552 A CN 111031552A CN 201910978223 A CN201910978223 A CN 201910978223A CN 111031552 A CN111031552 A CN 111031552A
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陈炜宇
李卫
荆锋
陈华梁
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Abstract

本发明提供了一种携能中继系统中能量采集与译码转发自适应时间切换方法，该方法的具体过程为：信源节点S向中继节点R发送无线信号，对无线信号的每个时间块的工作状态参量αi进行判断，以工作状态参量αi作为时间切换因子，根据工作状态参量αi的判断对每个时间块的工作模式进行自适应切换；当αi＝1时，对应的时间块用于信源节点S对中继节点R进行充电，即时间块执行能量采集模式；当αi‑0时，对应的时间块用于从信源节点S到中继节点R，以及中继节点R到目的节点D的两跳译码转发中继传输，即时间块执行译码转发信息传输模式。本发明执行信息传输模式时能够保证传输可靠。本发明能量损失小。本发明吞吐效率高。

Description

携能中继系统中能量采集与译码转发自适应时间切换方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及携能中继系统，具体涉及一种携能中继系统中能量采集与译码转发自适应时间切换方法。
背景技术
传统上无线电磁波多用于通信而非能量传输，2008年L.R.Varshney在IEEEInternational Symposium on Information Theory发表的论文“Transportinginformation and energy simultaneously”，使得人们注意到了无线电磁波可以同时实现信息传输和能量收集，掀起了人们对无线携能通信技术的研究热潮。无线携能通信技术既满足通信系统的通信需求，又满足通信节点的能源需求，在当今这个通信节点与能源需求同时呈指数型增长的时代，具有良好的应用前景。2013年X.Zhou等人在IEEE Transactionson Communication发表的论文“Wireless information and power transfer:Architecture design and rate-energy tradeoff”中，提出了实现无线携能通信的两种实际架构，一种是功率分割，即将接收信号的一部分功率用于信息传输，另一部分功率用于能量收集；另一种是时间切换，即在某些时间段将工作模式切换为信息传输，在其他时间段将工作模式切换为能量收集。在此基础上，很多学者对无线携能通信在各种场景下的应用进行了深入研究，如2015年A.A.Nasir等人在IEEE Transactions on Communication发表的论文“Wireless-powered relays in cooperative communications:Time-switchingrelaying protocols and throughput analysis”中，分别针对放大转发和译码转发携能中继系统，提出了实用的离散时间切换方法，但由于其中的离散时间切换方法和预设固定转发功率的设定均没有充分利用信道信息，使得能量有所浪费，系统的吞吐效率有所损失。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种携能中继系统中能量采集与译码转发自适应时间切换方法，解决现有技术中能量采集与译码转发切换方法的传输可靠性和有效性不足的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种携能中继系统中能量采集与译码转发自适应时间切换方法，所述的携能中继系统包括信源节点S、中继节点R和目的节点D，信源节点S、中继节点R和目的节点D之间传输无线信号，将无线信号按相等时间分割为多个时间等长的帧，记为时间块；该方法的具体过程为：
信源节点S向中继节点R发送无线信号，对无线信号的每个时间块的工作状态参量αi进行判断，以工作状态参量αi作为时间切换因子，根据工作状态参量αi的判断对每个时间块的工作模式进行自适应切换；
当αi＝1时，对应的时间块用于信源节点S对中继节点R进行充电，即时间块执行能量采集模式；
当αi＝0时，对应的时间块用于从信源节点S到中继节点R，以及中继节点R到目的节点D的两跳译码转发中继传输，即时间块执行译码转发信息传输模式；
其中：
i为时间块的序号；
所述的能量采集模式是指在本时间块的全部时间内，信源节点S向中继节点R传输无线信号，该无线信号全部用于为中继节点R充电；
所述的译码转发信息传输模式是指在本时间块的前一半时间内，信源节点S向中继节点R传输无线信号，在本时间块的后一半时间内，该无线信号在中继节点R处被译码转发至目的节点D，从而完成从信源节点S到目的节点D的通信；
所述的时间块的工作状态参量αi按照以下方法获得：
Figure BDA0002234353690000031
Figure BDA0002234353690000032
Figure BDA0002234353690000033
式中：
T为时间块的时间长度；
Ei(0)为第i个时间块的初始能量；
Figure BDA0002234353690000034
为信源节点S到中继节点R的信道功率增益门限；
Pr,i为第i个时间块中继节点R的译码转发功率；
gi为第i个时间块中中继节点R到目的节点D的信道系数；
d2为中继节点R到目的节点D的距离；
Figure BDA0002234353690000035
为目的节点D处的加性高斯白噪声功率；
m为路径损耗指数；
γ0为目的节点D成功进行检测译码所需的门限信噪比。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明执行信息传输模式时能够保证传输可靠。本发明充分利用了信道信息，在执行信息传输模式前，中继节点先判断若执行信息传输模式能否保证不中断，判断能够保证不中断才执行信息传输模式，从而保证了执行信息传输模式时传输的可靠性。
(Ⅱ)本发明能量损失小。本发明能够保证执行信息传输模式时传输的可靠性，因此，本发明能够避免消耗能量执行信息传输却无法成功传输信息所造成的能量的无谓损失。此外，本发明所采用的自适应转发功率本质上是保证成功传输所需的最小功率，因而本发明能够有效的减少能量消耗。
(Ⅲ)本发明吞吐效率高。本发明能够保证执行信息传输模式时传输的可靠性，因而具有较高的吞吐效率。另一方面，本发明能够有效的减少能量消耗和无谓损失，因而同时有效的减少了执行能量收集模式所消耗的时间，而这一部分节省下来的能量和时间能够支持更多的执行信息传输模式，从而提高吞吐效率。
附图说明
图1是现有的基于时间切换的译码转发携能中继系统中每个时间块的中继节点离散时间切换方法及转发功率设定流程图。
图2是本发明在基于时间切换的译码转发携能中继系统中每个时间块的中继节点自适应离散时间切换与自适应转发功率控制流程图。
图3是在瑞利信道条件下，对于译码转发携能中继系统，用现有的中继节点离散时间切换及转发功率设定方法和用本发明的中继节点自适应离散时间切换及自适应转发功率控制方法分别得到的吞吐效率随门限信噪比的变化情况的比较图。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种携能中继系统中能量采集与译码转发自适应时间切换方法，所述的携能中继系统包括信源节点S、中继节点R和目的节点D，信源节点S、中继节点R和目的节点D之间传输无线信号，将无线信号按相等时间分割为多个时间等长的帧，记为时间块；该方法的具体过程为：
信源节点S向中继节点R发送无线信号，对无线信号的每个时间块的工作状态参量αi进行判断，以工作状态参量αi作为时间切换因子，根据工作状态参量αi的判断对每个时间块的工作模式进行自适应切换；
当αi＝1时，对应的时间块用于信源节点S对中继节点R进行充电，即时间块执行能量采集模式；
当αi＝0时，对应的时间块用于从信源节点S到中继节点R，以及中继节点R到目的节点D的两跳译码转发中继传输，即时间块执行译码转发信息传输模式；
其中：
i为时间块的序号；
所述的能量采集模式是指在本时间块的全部时间内，信源节点S向中继节点R传输无线信号，该无线信号全部用于为中继节点R充电；
所述的译码转发信息传输模式是指在本时间块的前一半时间内，信源节点S向中继节点R传输无线信号，在本时间块的后一半时间内，该无线信号在中继节点R处被译码转发至目的节点D，从而完成从信源节点S到目的节点D的通信；
所述的时间块的工作状态参量αi按照以下方法获得：
Figure BDA0002234353690000061
Figure BDA0002234353690000062
Figure BDA0002234353690000063
式中：
T为时间块的时间长度；
Ei(0)为第i个时间块的初始能量；
Figure BDA0002234353690000064
为信源节点S到中继节点R的信道功率增益门限；
Pr,i为第i个时间块中继节点R的译码转发功率；
gi为第i个时间块中中继节点R到目的节点D的信道系数；
d2为中继节点R到目的节点D的距离；
Figure BDA0002234353690000065
为目的节点D处的加性高斯白噪声功率；
m为路径损耗指数；
γ0为目的节点D成功进行检测译码所需的门限信噪比。
本发明为译码转发携能中继系统提出一种能够充分利用信道信息的中继节点自适应离散时间切换方法与自适应转发功率控制方法，以期能够在选择信息传输模式时保证可靠通信，从而减小能量损失并提高译码转发携能中继系统的吞吐效率。
参照图1，现有的基于时间切换的译码转发携能中继系统中，设定有一预设转发功率Pr，在每个时间块的开始，中继节点先判断其是否能对信源节点发出的信号进行正确译码，即是否满足
Figure BDA0002234353690000066
若能够正确译码，中继节点再判断其现有电能Ei(0)是否能够以预设转发功率Pr转发信号，即是否满足
Figure BDA0002234353690000071
若满足，则该时间块选用信息传输模式，即时间切换因子设为αi＝0，同时转发功率选用Pr。只要条件
Figure BDA0002234353690000072
或
Figure BDA0002234353690000073
中有一个不满足，该时间块选用能量收集模式，即时间切换因子设为αi＝1。
参照图2，在基于时间切换的译码转发携能中继系统中，本发明在每个时间块的初始时刻，中继节点的离散时间切换及转发功率决策步骤如下：
步骤1.判断从信源节点向中继节点传输信息是否会发生中断。
根据中继节点对当前时间块信源节点到中继节点的信道功率增益|hi|2的估计，判断是否满足
Figure BDA0002234353690000074
若
Figure BDA0002234353690000075
则切换该时间块为能量收集模式，即时间切换因子设为αi＝1。若
Figure BDA0002234353690000076
则进入下一步。
步骤2计算自适应转发功率。
根据中继节点对当前时间块中继节点到目的节点的信道功率增益|gi|2的估计，计算采用信息传输模式下，在目的节点不发生信息中断所需的转发功率。
步骤3.判断电能是否足够以算得的功率值执行信息传输模式。
若当前时间块的初始电能Ei(0)不足够以算得的功率值执行信息传输模式，即
Figure BDA0002234353690000077
则切换该时间块为能量收集模式，即时间切换因子设为αi＝1。否则，若
Figure BDA0002234353690000078
则切换该时间块为信息传输模式，即时间切换因子设为αi＝0，并进入下一步。
步骤4.转发功率设定。
当前时间块的转发功率设定为步骤2中算得的自适应转发功率Pr,i。
仿真例：
遵从实施例1的携能中继系统中能量采集与译码转发自适应时间切换方法，本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
仿真时间块数设为107个，时间块时长T设为等时长1s，信源节点到中继节点的距离d1设置为35m，中继节点到目的节点的距离d2设置为10m，中继节点处加性高斯白噪声的功率
Figure BDA0002234353690000081
设置为-70dBm，目的节点处加性高斯白噪声的功率
Figure BDA0002234353690000082
设置为-100dBm，能量转换效率设为0.5。为了公平比较，在不同的门限信噪比γ0下，对于现有的预设固定转发功率方案，在仿真中将其预设固定功率Pr设定为使得吞吐效率最大的值。仿真得到了译码转发携能中继系统在瑞利信道条件下，使用现有的中继节点离散时间切换及转发功率设定方法和使用本发明的中继节点自适应离散时间切换及自适应转发功率控制方法的吞吐效率随门限信噪比的变化曲线，如图3所示。
从图3可以看出，对于译码转发携能中继系统，本发明所提出的中继节点自适应时间切换方法和自适应转发功率控制方法能够有效提高系统的吞吐效率。其中在Ps为46dBm，吞吐效率为0.4时，本发明能够提供8dB的门限信噪比增益。仿真结果表明，本发明能够有效提高吞吐效率，满足基于时间切换的译码转发携能中继系统的需求。

Claims (1)

1.一种携能中继系统中能量采集与译码转发自适应时间切换方法，所述的携能中继系统包括信源节点S、中继节点R和目的节点D，其特征在于，信源节点S、中继节点R和目的节点D之间传输无线信号，将无线信号按相等时间分割为多个时间等长的帧，记为时间块；该方法的具体过程为：
信源节点S向中继节点R发送无线信号，对无线信号的每个时间块的工作状态参量αi进行判断，以工作状态参量αi作为时间切换因子，根据工作状态参量αi的判断对每个时间块的工作模式进行自适应切换；
当αi＝1时，对应的时间块用于信源节点S对中继节点R进行充电，即时间块执行能量采集模式；
当αi＝0时，对应的时间块用于从信源节点S到中继节点R，以及中继节点R到目的节点D的两跳译码转发中继传输，即时间块执行译码转发信息传输模式；
其中：
i为时间块的序号；
所述的能量采集模式是指在本时间块的全部时间内，信源节点S向中继节点R传输无线信号，该无线信号全部用于为中继节点R充电；
所述的译码转发信息传输模式是指在本时间块的前一半时间内，信源节点S向中继节点R传输无线信号，在本时间块的后一半时间内，该无线信号在中继节点R处被译码转发至目的节点D，从而完成从信源节点S到目的节点D的通信；
所述的时间块的工作状态参量αi按照以下方法获得：
Figure FDA0002234353680000021
Figure FDA0002234353680000022
Figure FDA0002234353680000023
式中：
T为时间块的时间长度；
Ei(0)为第i个时间块的初始能量；
Figure FDA0002234353680000024
为信源节点S到中继节点R的信道功率增益门限；
Pr,i为第i个时间块中继节点R的译码转发功率；
gi为第i个时间块中中继节点R到目的节点D的信道系数；d2为中继节点R到目的节点D的距离；
Figure FDA0002234353680000025
为目的节点D处的加性高斯白噪声功率；
m为路径损耗指数；
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