CN111106856B - 一种协作中继网络及其传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种协作中继网络及其传输方法，其中协作中继网络包括一个信源、一个协作中继节点和一个目的节点；当所述信源向所述协作中继节点传输信息时，所述协作中继节点从信源广播的信息中采集协作通信过程中所需要的能量。本发明使能量受限的协作中继节点得以延长工作时长，保证了使用寿命。此外，本发明还利用天线选择方案，提高无线信道资源利用率，避免无线信道资源不必要浪费。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种协作中继网络及其传输方法。
背景技术
为实现远距离的无线通信，在网络中添加中继节点，以提高传输质量。协作中继技术，区别与传统的多跳非协作中继技术，是一种可以抵抗无线信道多径衰落的新技术。它的基本思想是让多个单天线用户之间通过共享天线，形成虚拟多天线的协作传输，以此使单天线用户也可以得到空间分集，从而达到扩大网络覆盖、提高传输速率和延长电池寿命等目的。现有技术中的协作中继协议主要可分为两类，分别为CDF(Cooperative Decode andForward，协作解码转发)协议和CAF(Cooperative Amplify and Forward，协作放大转发)协议。
由于网络设备的地理位置分布不均匀，从信源的信息传输到目的节点的信息接收过程会遭遇很强的信道衰落和路径损耗。通过协作中继技术的应用可以有效的对抗多径衰落。当有多个协作分集的中继节点参与信息传输或者拥有多根天线同时传输的协作中继参与通信，会使得系统的计算复杂度和设计成本变高，且达不到理想的信息传输效率以及导致无线信道资源的不必要浪费。此外，现有文献中大多考虑网络设备上有一个固定的储备电源。由于频繁的进行网络通信会消耗该设备的大量的能量，因此需要定期的更换电池设备或者是给这些能量受限网络节点充电来保证正常的网络通信，而这会设增加设备使用成本和功耗。
20110413公开的，申请号为CN201010606476.1的中国发明公开了一种基于天线选择的多天线网络编码中继传输方法，无线通信网络中的两个用户在正交信道中向基站端和中继端发送信息序列，基站端和中继端根据信息序列进行信道估计，得到信道矩阵，并对信息序列进行译码；基站端根据信道矩阵天线数据流的质量进行估计，并生成用于网络编码的中继包，并发送给中继端，中继端向基站端发送网络编码数据流；基站端根据信息序列中继转发序列进行联合译码，完成中继传输。其利用多天线传输和网络编码，提高了系统的传输效率，从而改善了频谱利用率；利用各天线数据流间的不同传输质量，利用了网络编码协作中继的特性，降低了BER，提高了系统的可靠性。但其只是利用了各天线数据流间的不同传输质量，没有提供相应的手段来提高信息传输速率和信道链路质量。
由于协作中继技术可在很大程度上扩展网络的覆盖区域和增加网络的分集增益，本发明中在协作中继网络通过从接收的信源信息中采集能量来延长工作时长。
此外，为了最大化信息传输速率和提高信道链路质量，在本发明中设计了一种天线选择准则，即分别在信息源与多天线协作中继和多天线协作中继与目的节点之间采用会式调度(opportunistic scheduling,OS)策略选择一个当前信道质量最好的信道链路参与协作通信。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种协作中继网络及其传输方法，使能量受限的协作中继节点得以延长工作时长，保证了使用寿命。
第一方面，本发明提供了一种协作中继网络，包括一个信源、一个协作中继节点和一个目的节点；
当所述信源向所述协作中继节点传输信息时，所述协作中继节点从信源广播的信息中采集协作通信过程中所需要的能量。
进一步的，所述协作中继节点设有一能量采集电路，传输过程中，通过一初始能量源启动所述能量采集电路，该能量采集电路从通过天线接收的射频信号中采集能量，其中，所述协作中继节点的天线的工作频率与接收的射频信号的频率相同。
进一步的，所述信源与所述目的节点都配置了单根天线，所述协作中继节点上配置了K根天线，其中K≥2；
在传输过程的第一时隙，所述协作中继节点在K根天线中选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息，在传输过程的第二时隙，协作中继节点也会从多根天线中选择一根使得协作中继节点与目的节点之间信道链路最好的天线转发处理后的信息到目的节点。
进一步的，在所述第一时隙，协作中继节点在K根天线中选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息的具体过程是：
(11)、在第一时隙监测信源广播的所有天线的信道增益系数的变化；
(12)、当任一天线的信道增益系数发生变化时，重新计算该天线的信道质量指标；
(13)、比较所有天线的信道质量指标，重新选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息。
进一步的，在所述第二时隙，协作中继节点也会从多根天线中选择一根使得协作中继节点与目的节点之间信道链路最好的天线转发处理后的信息到目的节点的具体过程是：
(21)、在第二时隙，目的节点发送导频信号至协作中继节点，协作中继节点通过该导频信号监测所有天线的信道增益系数的变化；
(22)、当任一天线的信道增益系数发生变化时，重新计算该天线的信道质量指标；
(23)、比较所有天线的信道质量指标，重新选择一个当前信道质量最好的链路发送信息至目的节点。
第二方面，本发明提供了一种协作中继网络的传输方法，所述协作中继网络存在一个信源、一个协作中继节点和一个目的节点；
当所述信源向所述协作中继节点传输信息时，所述协作中继节点从信源广播的信息中采集协作通信过程中所需要的能量。
进一步的，所述协作中继节点设有一能量采集电路，传输过程中，通过一初始能量源启动所述能量采集电路，该能量采集电路从通过天线接收的射频信号中采集能量，其中，所述协作中继节点的天线的工作频率与接收的射频信号的频率相同。
进一步的，所述信源与所述目的节点都配置了单根天线，所述协作中继节点上配置了K根天线，其中K≥2；
在传输过程的第一时隙，所述协作中继节点在K根天线中选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息，在传输过程的第二时隙，协作中继节点也会从多根天线中选择一根使得协作中继节点与目的节点之间信道链路最好的天线转发处理后的信息到目的节点。
进一步的，在所述第一时隙，协作中继节点在K根天线中选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息的具体过程是：
(11)、在第一时隙监测信源广播的所有天线的信道增益系数的变化；
(12)、当任一天线的信道增益系数发生变化时，重新计算该天线的信道质量指标；
(13)、比较所有天线的信道质量指标，重新选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息。
进一步的，在所述第二时隙，协作中继节点也会从多根天线中选择一根使得协作中继节点与目的节点之间信道链路最好的天线转发处理后的信息到目的节点的具体过程是：
(21)、在第二时隙，目的节点发送导频信号至协作中继节点，协作中继节点通过该导频信号监测所有天线的信道增益系数的变化；
(22)、当任一天线的信道增益系数发生变化时，重新计算该天线的信道质量指标；
(23)、比较所有天线的信道质量指标，重新选择一个当前信道质量最好的链路发送信息至目的节点。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：在本发明中，采用了功率分裂(power splitting,PS)的协议，协作中继节点可在接收信息源发送的信息的同时从接收的信息中采集能量，使能量受限的协作中继节点得以延长工作时长，保障中继设备的工作效率和使用寿命；此外，结合机会式天线选择方案，在配置了多天线的协作中继上选择能使系统遍历容量和中断概率性能增益最好的发送和接收天线，提高无线信道资源利用率，避免无线信道资源不必要浪费；从而有效的对抗信道衰落、降低信源与信宿端功率消耗和提高了数据传输的吞吐量。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例一中协作中继网络的系统模型图；
图2为本发明实施例二中协作中继网络的传输方法的流程图；
图3为本发明天线选择的协作中继网络的时隙结构图；
图4为本发明协作中继网络的传输方法与现有OS网络的传输方法的增益曲线比较示意图；
图5为本发明为本发明协作中继网络的传输方法与现有OS网络的传输方法的性能分析曲线比较示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种协作中继网络及其传输方法，主要目的是使能量受限的协作中继节点得以延长工作时长，保证了使用寿命；次要目的是提高信源与协作中继节点和协作中继节点与目的节点之间链路的信道容量，有效提升了整个系统的传信息输速率。
本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：采用了功率分裂(power splitting,PS)的协议，协作中继节点可在接收信息源发送的信息的同时从接收的信息中采集能量，使能量受限的协作中继节点得以延长工作时长，保障中继设备的工作效率和使用寿命；此外，结合机会式天线选择方案，在配置了多天线的协作中继上选择能使系统遍历容量和中断概率性能增益最好的发送和接收天线，提高无线信道资源利用率，避免无线信道资源不必要浪费；从而有效的对抗信道衰落、降低信源与信宿端功率消耗和提高了数据传输的吞吐量。
由于协作中继网络传输的是射频信号，射频信号具有同时携带能量和信息信号的特性，在本发明中采用PS协议执行能量采集，即在完成整个信息传输所需要的两个传输时隙内，第一时隙既采集能量又进行信息传输。能量受限设备(协作中继节点)在能量采集之前配置了一个固定能量源，会提供能量采集电路所需要的初始能量，启动和结束时间和时隙图一样的。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种协作中继网络，包括一个信源、一个协作中继节点和一个目的节点；
当所述信源向所述协作中继节点传输信息时，所述协作中继节点从信源广播的信息中采集协作通信过程中所需要的能量。
所述协作中继节点设有一能量采集电路，传输过程中，通过一初始能量源启动所述能量采集电路，该能量采集电路从通过天线接收的射频信号中采集能量，其中，所述协作中继节点的天线的工作频率与接收的射频信号的频率相同。
射频能量信号是通过天线接收的，所以天线的工作频率必须与所接收到信号的频率相同。此外，射频信号通过天线接收后既可以用在RF-DC转换器，也可以用在单纯的RF应用上。RF-DC转换器则会将RF信号转换为DC信号，从而可以将获取的能量存储在可充电放电的能量储存装置中，以便给RF-DC转换器、RF装置、低功耗设备提供能量。
其中，作为本实施例的一种更优的实现方式：所述信源与所述目的节点都配置了单根天线，所述协作中继节点上配置了K根天线，其中K≥2；
如图3所示，在传输过程的第一时隙，所述协作中继节点在K根天线中选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息，在传输过程的第二时隙，协作中继节点也会从多根天线中选择一根使得协作中继节点与目的节点之间信道链路最好的天线转发处理后的信息到目的节点。
在所述第一时隙，协作中继节点在K根天线中选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息的具体过程是：
(11)、在第一时隙监测信源广播的所有天线的信道增益系数的变化；
(12)、当任一天线的信道增益系数发生变化时，重新计算该天线的信道质量指标；
(13)、比较所有天线的信道质量指标，重新选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息。
在所述第二时隙，协作中继节点也会从多根天线中选择一根使得协作中继节点与目的节点之间信道链路最好的天线转发处理后的信息到目的节点的具体过程是：
(21)、在第二时隙，目的节点发送导频信号至协作中继节点，协作中继节点通过该导频信号监测所有天线的信道增益系数的变化；
(22)、当任一天线的信道增益系数发生变化时，重新计算该天线的信道质量指标；
(23)、比较所有天线的信道质量指标，重新选择一个当前信道质量最好的链路发送信息至目的节点。
基于同一发明构思，本申请还提供了与实施例一中的方法对应的装置，详见实施例二。
实施例二
如图2所示，在本实施例中提供了一种协作中继网络的传输方法，所述协作中继网络存在一个信源、一个协作中继节点和一个目的节点；
当所述信源向所述协作中继节点传输信息时，所述协作中继节点从信源广播的信息中采集协作通信过程中所需要的能量。
所述协作中继节点设有一能量采集电路，传输过程中，通过一初始能量源启动所述能量采集电路，该能量采集电路从通过天线接收的射频信号中采集能量，其中，所述协作中继节点的天线的工作频率与接收的射频信号的频率相同。
其中，作为本实施例的一种更优的实现方式：所述信源与所述目的节点都配置了单根天线，所述协作中继节点上配置了K根天线，其中K≥2；
结合图3所示，在传输过程的第一时隙，所述协作中继节点在K根天线中选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息，在传输过程的第二时隙，协作中继节点也会从多根天线中选择一根使得协作中继节点与目的节点之间信道链路最好的天线转发处理后的信息到目的节点。
在所述第一时隙，协作中继节点在K根天线中选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息的具体过程是：
(11)、在第一时隙监测信源广播的所有天线的信道增益系数的变化；
(12)、当任一天线的信道增益系数发生变化时，重新计算该天线的信道质量指标；
(13)、比较所有天线的信道质量指标，重新选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息。
在所述第二时隙，协作中继节点也会从多根天线中选择一根使得协作中继节点与目的节点之间信道链路最好的天线转发处理后的信息到目的节点的具体过程是：
(21)、在第二时隙，目的节点发送导频信号至协作中继节点，协作中继节点通过该导频信号监测所有天线的信道增益系数的变化；
(22)、当任一天线的信道增益系数发生变化时，重新计算该天线的信道质量指标；
(23)、比较所有天线的信道质量指标，重新选择一个当前信道质量最好的链路发送信息至目的节点。
以下举一实例进行更进一步的说明：
如图1至图3所示，实例中的协作中继网络存在一个信源、一个协作中继节点和一个目的节点；其中信源与目的节点都配置了单根天线，而协作中继节点上配置了K根天线，且协作中继节点的能量受限。
将信源记为信源节点S，协作中继节点记为R，协作中继节点的天线记为Rk，k∈{1,...,K}表示从K根天线中选择的第k根天线的索引标，目的节点记为目的节点D。
假设信源节点S到目的节点D的整个信息传输过程是在时间T内完成，即完成信息传输过程所需要的时间划分为两个时隙T/2。为了同时进行能量采集和信息处理，在协作中继上采用功率分配(power splitting-based relaying，PSR)协议。
1、在第一时隙T/2内，协作中继节点R将接收到信源S传输的信号功率当中一部分功率ρiPs用于能量采集，而剩余的另一部分功率(1-ρi)Ps用于接收信源信息，其中的Ps为信源节点S的发送功率，ρi表示在选择的第i根接收天线上功率分配系数(0＜ρi＜1)。而在第二个时隙T/2内，协作中继节点R会从多根天线中选择第j根传输天线，然后利用第一时隙T/2中采集到的能量将处理后的信息通过放大转发(amplify-and-forward,AF)协议发送到目的节点D。
假设Ri为协作中继节点的天线Rk中第i根天线被选择用于接收信源信息，Rj为协作中继节点的天线Rk中第j根天线被选择用于协作中继节点R和目的节点D之间的信息传输，且所有天线都工作在半双工模式。
由于信源节点S与目的节点D之间的直达路径存在很强的路径损耗，因此不考虑该直达路径。此外，网络中所有信道链路均为块衰落瑞利信道(还可以是其他信道，比如Rice信道或Nakagami信道，均适用于本发明)，即信道衰落系数在一个相干时间内保持平稳且在不同的相干时间是相互独立。S→Ri和Rj→D之间链路的信道增益系数可分别表述为和/>它们都服从均值为零的复高斯随机变量分布，且平均信道增益分别为/>和/>其中E[H]表示对随机变量H求均值运算。
在第一时隙T/2内，协作中继节点R上采集到的总能量表示为：
其中，η∈(0,1)表示为能量转换效率因子，dsr为信源到中继之间的距离和m为路径损耗因子。同时，在协作中继节点R也会接收到信源信息。因此，协作中继节点R上接收的信息信号为：
其中，xS为信源节点S传输的信息信号和nr为协作中继节点R上因天线接收而产生的加性白高斯噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)，其均值为0，噪声方差为N0。
在第二时隙T/2内，协作中继节点R会利用第一时隙T/2中采集的能量，将处理后的信息通过被选择的天线Rk发送到目的节点D。其发射功率和放大系数分别表示为：
和
因此，在目的节点D。接收的信息可表示为：
其中nd为目的节点D上产生的AWGN，均值为0和噪声方差为N0。
2、分别计算得到信源节点S与协作中继节点R和协作中继节点R与目的节点D之间的相关信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)：
和
因此，信源节点S与目的节点D之间(端到端)的接收信噪比可表示为：
3、联合信源节点S与协作中继节点R和协作中继节点R与目的节点D之间的接收SNR，可分析系统中的中断概率Pout和遍历速率E[Csd]性能。
基于信息理论意义，如果端到端的信息速率低于给定的目标速率Rtbits/sec/Hz,则会导致信源的信息传输中断。因此，可定义中断概率的表达式为
Pout＝P(Csd＜Rt)
其中和W为信道带宽。
接着，联立γ1和γ2，可获得系统的遍历容量表达式为：
为了方便对比，将本发明方案记为所提出的OS方案，并设置两个对比例，一对比例中假设仅在信源节点S到协作中继节点R之间或者是协作中继节点R到目的节点D之间应用OS策略，记为现有的OS方案。另一对比例随机选择方案。
系统中的参数设置如下：K＝5，η＝0.9，ρ＝0.75，Rth＝1bits/sec/Hz和m＝2.7。此外，dsr＝drd＝1m，平均信道功率系数为和/>
从图4可知，本发明中所提出的OS方案的仿真与理论分析曲线基本吻合，证明所提出的OS方案的计算与分析结果的正确性。此外，在这三种方案中，本发明中所提出的OS方案的性能增益最好，而随机选择方案的性能增益最差。通过对比现有的OS传输方案和随机选择方案，可证明本发明中所提出的OS方案的有效性。同时，从图4中可发现，随着传输功率的不断增加，所有的传输网络方案的中断性能会不断下降，且本发明中所提出的OS策略的性能分析曲线下降趋势最大。上述的结果表明，一种更加有效的天线选择方案可以带给传输网络更多的性能增益。
图5所示为遍历速率在不同的天线选择准则下随信源发送功率变化的曲线。从图可知本发明中所设计的传输方案的遍历性能要优于随机选择方案和现有的OS策略。此外，随着信源传输功率的增加，所有天线选择方案下的遍历速率性能都会提升，且本发明中所提出的OS策略的遍历速率性能分析曲线与其他基准方案之间的性能分析曲线的差值也会逐渐变大。这主要是因为随着传输功率的增加，能量受限的协作中继上采集到的能量也会增加，从而加强了协作中继转发信息的强度，最后使目的节点接收的信息容量变大。因此，本发明中所提出的OS策略可有效的提升该系统的信息传输速率。由上面各个传输方案的性能分析曲线对比图可知，本发明中所考虑的传输方案可以获得更加好的中断概率和遍历速率的性能增益。
本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：通过无线能量采集技术，从信源广播的接收的信息中采集协作中继节点通信过程中所需要的能量，来延长能量受限设备的工作寿命；另外，利用天线选择方案，可提高无线信道资源利用率，避免无线信道资源不必要浪费；从而有效地对抗信道衰落、降低信源与信宿端功率消耗和提高了数据传输的吞吐量；且本发明的技术方案复杂度低，便于操作，可以减少无线信道资源的不必要浪费。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (4)
1.一种协作中继网络，其特征在于：包括一个信源、一个协作中继节点和一个目的节点；
当所述信源向所述协作中继节点传输信息时，所述协作中继节点从信源广播的信息中采集协作通信过程中所需要的能量；
所述信源与所述目的节点都配置了单根天线，所述协作中继节点上配置了K根天线，其中K≥2；
在传输过程的第一时隙，所述协作中继节点在K根天线中选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息，在传输过程的第二时隙，所述协作中继节点也会从多根天线中选择一根使得协作中继节点与目的节点之间信道链路最好的天线转发处理后的信息到目的节点；
在所述第一时隙，所述协作中继节点在K根天线中选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息的具体过程是：
(11)、在第一时隙监测信源广播的所有天线的信道增益系数的变化；
(12)、当任一天线的信道增益系数发生变化时，重新计算该天线的信道质量指标；
(13)、比较所有天线的信道质量指标，重新选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息；
在所述第二时隙，协作中继节点也会从多根天线中选择一根使得协作中继节点与目的节点之间信道链路最好的天线转发处理后的信息到目的节点的具体过程是：
(21)、在第二时隙，目的节点发送导频信号至协作中继节点，协作中继节点通过该导频信号监测所有天线的信道增益系数的变化；
(22)、当任一天线的信道增益系数发生变化时，重新计算该天线的信道质量指标；
(23)、比较所有天线的信道质量指标，重新选择一个当前信道质量最好的链路发送信息至目的节点。
2.根据权利要求1所述的一种协作中继网络，其特征在于：所述协作中继节点设有一能量采集电路，传输过程中，通过一初始能量源启动所述能量采集电路，该能量采集电路从通过天线接收的射频信号中采集能量，其中，所述协作中继节点的天线的工作频率与接收的射频信号的频率相同。
3.一种协作中继网络的传输方法，其特征在于：所述协作中继网络存在一个信源、一个协作中继节点和一个目的节点；
当所述信源向所述协作中继节点传输信息时，所述协作中继节点从信源广播的信息中采集协作通信过程中所需要的能量；
所述信源与所述目的节点都配置了单根天线，所述协作中继节点上配置了K根天线，其中K≥2；
在传输过程的第一时隙，所述协作中继节点在K根天线中选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息，在传输过程的第二时隙，协作中继节点也会从多根天线中选择一根使得协作中继节点与目的节点之间信道链路最好的天线转发处理后的信息到目的节点；
在所述第一时隙，协作中继节点在K根天线中选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息的具体过程是：
(11)、在第一时隙监测信源广播的所有天线的信道增益系数的变化；
(12)、当任一天线的信道增益系数发生变化时，重新计算该天线的信道质量指标；
(13)、比较所有天线的信道质量指标，重新选择一个当前信道质量最好的链路接收信源发送的信息；
在所述第二时隙，协作中继节点也会从多根天线中选择一根使得协作中继节点与目的节点之间信道链路最好的天线转发处理后的信息到目的节点的具体过程是：
(21)、在第二时隙，目的节点发送导频信号至协作中继节点，协作中继节点通过该导频信号监测所有天线的信道增益系数的变化；
(22)、当任一天线的信道增益系数发生变化时，重新计算该天线的信道质量指标；
(23)、比较所有天线的信道质量指标，重新选择一个当前信道质量最好的链路发送信息至目的节点。
4.根据权利要求3所述的一种协作中继网络的传输方法，其特征在于：所述协作中继节点设有一能量采集电路，传输过程中，通过一初始能量源启动所述能量采集电路，该能量采集电路从通过天线接收的射频信号中采集能量，其中，所述协作中继节点的天线的工作频率与接收的射频信号的频率相同。
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