CN111132263B - 全双工目的端加扰的非可信能量采集中继传输方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种全双工目的端加扰下的非可信能量采集中继传输方法和系统，将一个时间块T分成两个相同的时隙，第一时隙T/2内，源端S发送信息到非可信中继R和目的端D，目的端D在接收信息的同时发送干扰信号到非可信中继R，非可信中继R采用基于功率分配的能量采集协议进行采集能量和信息接收；第二时隙T/2内，源端和非可信中继发送信息至目的端D，目的端D采用最大比合并技术合并源端和非可信中继发送的信号。本发明充分运用全双工、能量采集、天线选择和最大比合并技术的优越性，能显著提高系统吞吐量和容量。

Description

全双工目的端加扰的非可信能量采集中继传输方法和系统

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是指一种全双工目的端加扰的非可信能量采集中继传输方法和系统。

背景技术

当中继节点是能量受限节点时，即中继没有稳定的能量来源，或者说能量来源不持续时，中继节点就很容易中断。考虑到能量采集技术的快速发展和射频信号易于采集，如果中继节点能够采集无线射频信号，就可以延长无线网络的使用寿命。

最近同步无线信息和功率传输(simultaneous wireless information andpower transfer，SWIPT)被提出来，并得到广泛应用。但是在传统SWIPT系统中，当中继是非可信中继时，即中继在接收源信息的同时会窃听源信息。传统的加扰方式有半双工目的端干扰和友好节点加扰，此种情况效率不高并且没有充分利用源到目的端的直达链路。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种全双工目的端加扰的非可信能量采集中继传输方法和系统。

本发明采用如下技术方案：

一种全双工目的端加扰下的非可信能量采集中继传输方法，其特征在于：将一个时间块T分成两个相同的时隙，第一时隙T/2内，源端S发送信息到非可信中继R和目的端D，目的端D在接收信息的同时发送干扰信号到非可信中继R，非可信中继R采用基于功率分配的能量采集协议进行采集能量和信息接收；第二时隙T/2内，源端和非可信中继发送信息至目的端D，目的端D采用最大比合并技术合并源端和非可信中继发送的信号。

优选的，所述基于功率分配的能量采集协议是将接收的信号功率按照β:(1-β)的比例用于采集能量和信息接收,β为功率分配因子。

优选的，第一时隙T/2内，所述非可信中继R接收到的信号和对应的信噪比分别是：

其中：x_S表示源端S发送的信号，x_D为目的端D发送的人工噪声，

k∈(S,D)，

是对x_k求均值，|·|是绝对值运算符，h_ij和

分别表示节点i和节点j之间的信道参数和距离，i,j＝{S,R,D}，m代表路径损耗指数，根据信道的互异性可得

其中(·)^T表示转置；P_S表示源端传输功率，n_R表示非可信中继R接收到的加性高斯白噪声,N₀为非可信中继端的加性白高斯噪声方差，P_D表示目的端的发送功率。

优选的，在整个时间块T内，源端通过直达链路直接传输信息到目的端，目的端接收的信息和对应的信噪比分别为：

其中：n_D表示目的端D接收到的加性高斯白噪声。

优选的，在第二时隙T/2内，目的端接收的来自非可信中继的信息和信噪比分别是：

其中，x_R是非可信中继转发的信息，

P_R表示中继的发送功率，η表示能量采集效率。

优选的，第二时隙T/2内，目的端D采用最大比合并技术合并源端和非可信中继发送的信号，其信噪比为：γ_D＝γ_D1+γ_D2。

一种全双工目的端加扰下的非可信能量采集中继传输系统，其特征在于：包括源端S、非可信中继R和目的端D，源端S和非可信中继R分别设置单个天线；目的端D设置N个天线且工作在全双工模式下；源端S和目的端D之间存在直达链路；

将一个时间块T分成两个相同的时隙，第一时隙T/2内，源端S发送信息到非可信中继R和目的端D，目的端D在接收信息的同时发送干扰信号到非可信中继R，非可信中继R采用基于功率分配的能量采集协议进行采集能量和信息接收；第二时隙T/2内，源端和非可信中继发送信息至目的端D，目的端D采用最大比合并技术合并源端和非可信中继发送的信号。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的目的端工作在全双工模式下，目的端自干扰比较大时，考虑目的端同时选择收发天线使得自干扰信道的信道增益最小化。从而最大化全双工技术带来的系统增益。当与基于功率分配的能量采集技术相结合，实现能量自补给，无需外界供能，提高整个系统的使用寿命。

2.本发明考虑到中继能量采集效率不高并且当采集的能量不足达到转发信息所需的能量时，中继就有可能中断，因此，结合源端和目的端之间存在直达链路，目的端采用最大比合并技术以最大化目的端接收信噪比，通过优化功率分配因子和能量采集因子，可以最大化系统吞吐量性能。

3.本发明系统中，全双工模式下，为减弱中继自干扰，采用的目的端天线选择收发机结构和基于功率分配能量采集的目的端最大比合并技术的研究对5G实际系统设计具有重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明系统的传输模型图；

图2为本发明传输时间块的结构图；

图3为延迟受限模式下，安全吞吐量随源端的发送功率P_S的变化情况；

图4为遍历安全速率随源端发送功率P_S的变化情况。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1，一种全双工目的端加扰下的非可信能量采集中继传输系统，包括源端S、非可信中继R和目的端D，其组成放大转发协作传输模型。源端S和非可信中继R分别设置单个天线，非可信中继节点采用基于功率分配的能量采集协议，在放大转发信息时是可信的，在接收信息时是非可信的。

目的端D设置N个天线，其工作在同时同频全双工模式下，且源端S和目的端D之间存在直达链路。采用目的端自干扰最小化的方法，在接收信息的同时发送干扰信息到非可信中继，干扰非可信中继的窃听。与现有的FDD或TDD双工方式相比，同时同频全双工技术能够将无线资源的使用效率提升近一倍，从而显著提高系统吞吐量和容量。

本发明还提出一种全双工目的端加扰下的非可信能量采集中继传输方法，参见图2，将一个时间块T分成两个相同的时隙，第一时隙T/2内，源端S发送信息到非可信中继R和目的端D，目的端D在接收信息的同时发送干扰信号到非可信中继R，非可信中继R采用基于功率分配的能量采集协议进行采集能量和信息接收。基于功率分配的能量采集协议是将接收的信号功率按照β:(1-β)的比例用于采集能量和信息接收，β为功率分配因子。

第二时隙T/2内，源端和非可信中继发送信息至目的端D，目的端D采用最大比合并技术合并源端和非可信中继发送的信号。

所有信道从一个时间块到另一个时间块之间是遵循独立同分布准静止瑞利块衰落的,在每一个传输时间块T内，信道增益是一个常数。

h_ij和d_ij分别表示节点i和节点j之间的信道参数和距离，λ_ij表示节点i和节点j之间信道的平均信道增益，n_i表示节点i接收到的均值为0方差为N₀的加性高斯白噪声，i,j＝{S,R,D}。

目的端同时选择收发天线使得自干扰信道的信道增益最小。即：

其中，i表示目的端用于接收信息的第i根天线，j表示目的端用于发送信息的第j根天线，h_DD表示目的端自干扰信道，其信道增益为|h_DD|，i^*和j^*分别表示所选择的接收和发送天线。

在整个时间块T内，源端都可以通过直达链路直接传输信息到目的端。所以，此时目的端接收的信息和对应的信噪比分别为：

其中：h_SD、d_SD分别表示源端和目的端之间的信道参数和距离，n_D表示目的端D接收到的加性高斯白噪声。

第一时隙T/2内，中继收到的信号和对应的信噪比分别是：

其中，x_S表示节点S发送的信号，x_D为D发送的人工噪声，

k∈(S,D)，

是对|x_k|²求均值，|·|是绝对值运算符，根据信道的互异性可得

其中(·)^T表示转置。P_S表示源传输功率。h_SR、d_SR分别表示源端和非可信中继之间的信道参数和距离。h_DR、d_RD分别表示目的端和非可信中继之间的信道参数和距离。

已知，中继接收到的噪声功率强度远远小于接收的信息功率强度，故我们忽略噪声功率。那么，在第一时隙T/2内采集的能量是：

其中，η表示能量采集效率(0<η<1)，h_RD、d_RD分别表示非可信中继和目的端之间的信道参数和距离。所以，在第二时隙T/2内，非可信中继的发送功率是：

在第二时隙T/2内，当源端的信息通过非可信中继传输时，目的端接收的来自非可信中继的信息和信噪比分别是：

其中，x_R是非可信中继转发的信息，

η表示能量采集效率，P_R表示中继的发送功率。

非可信中继处可定义能量约束因子

可保证非可信中继用于信息传输的能量消耗低于中继采集的能量，从而确保非可信中继能够正常传输信息而不至于中断。

中继采用的是放大转发协议，在求解目的端信噪比时，考虑中继处的噪声。那么，此时目的端的信噪比为：

第二时隙T/2内，目的端采用最大比合并技术，合并来自非可信中继和源端的信息后，为最大化目的端接收信噪比，目的节点的接收信噪比是两路信噪比之和，即：γ_D＝γ_D1+γ_D2。

基于以上，源端和目的端之间存在直达链路时，系统的瞬时安全速率表示为C_S＝[C_D-C_R]⁺，其中：

[a]⁺表示max(a,0)。

系统遍历安全速率表示为

表示求均值。

考虑在延迟受限传输模式下，由于无线信道是随机衰落的，中继传输可能会中断，P_out＝Pr(γ_D<γ_th)表示系统的中断概率，

表示目的端信噪比阈值，R_S表示源端发送速率，系统吞吐量可以表示为：τ＝0.5*(1-P_out)R_S。

图3和图4分别考虑了延迟受限模式下的系统安全吞吐量和系统遍历安全速率随源发送功率P_S的变化情况。仿真环境:时间切换比α＝0.2，信道衰落系数m＝2.7，能量转化效率η＝0.8，源传输速率R_S＝2bit/s，中继自干扰信道平均信道增益0.3，其他信道平均信道增益均为1，各节点接收噪声方差1W。节点设置为：源节点位于点(0,0)，中继位于点

目的节点位于点

中继配备天线数设置是N＝20。

图3和图4分别给出了系统安全吞吐量和遍历安全速率随源端发送功率P_S的变化情况，绘制了本文方案与其他两种方案的对比图。如图所示，传统方案1相较于本发明方案是源和目的端之间不存在直达链路。传统方案2相较于本文方案是不存在目的端加扰。

由图可知，本文方案要明显优于其他两种安全传输策略，是因为本文方案充分利用了全双工目的端加扰，天线选择，最大比合并等技术的优越性，从而显著提高了系统的吞吐量性能。同时还可以看出，本发明的系统安全吞吐量和遍历安全速率都随着信源发送功率P_S的增加而增加。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (3)

1.一种全双工目的端加扰下的非可信能量采集中继传输方法，其特征在于：将一个时间块T分成两个相同的时隙，第一时隙T/2内，源端S发送信息到非可信中继R和目的端D，目的端D在接收信息的同时发送干扰信号到非可信中继R，非可信中继R采用基于功率分配的能量采集协议进行采集能量和信息接收,即将接收的信号功率按照β:(1-β)的比例用于采集能量和信息接收,β为功率分配因子，非可信中继处定义能量约束因子

可保证非可信中继用于信息传输的能量消耗低于中继采集的能量，从而确保非可信中继能够正常传输信息而不至于中断；第一时隙T/2内，所述非可信中继R接收到的信号和对应的信噪比分别是：

其中：x_S表示源端S发送的信号，x_D为目的端D发送的人工噪声，

k∈(S,D)，

是对x_k求均值，|·|是绝对值运算符，h_ij和

分别表示节点i和节点j之间的信道参数和距离，i,j＝{S,R,D}，m代表路径损耗指数，根据信道的互异性可得

其中(·)^T表示转置；P_S表示源端传输功率，n_R表示非可信中继R接收到的加性高斯白噪声,N₀为非可信中继端的加性白高斯噪声方差，P_D表示目的端的发送功率；

第二时隙T/2内，源端和非可信中继发送信息至目的端D，目的端D采用最大比合并技术合并源端和非可信中继发送的信号，在第二时隙T/2内，目的端接收的来自非可信中继的信息和信噪比分别是：

其中，x_R是非可信中继转发的信息，

P_R表示中继的发送功率，η表示能量采集效率；

整个时间块T内，源端通过直达链路直接传输信息到目的端，目的端接收的信息和对应的信噪比分别为：

其中：n_D表示目的端D接收到的加性高斯白噪声。

2.如权利要求1所述的一种全双工目的端加扰下的非可信能量采集中继传输方法，其特征在于：第二时隙T/2内，目的端D采用最大比合并技术合并源端和非可信中继发送的信号，其信噪比为：

γ_D＝γ_D1+γ_D2。

3.一种全双工目的端加扰下的非可信能量采集中继传输系统，其特征在于：采用权利要求1至2中，任一项所述的一种全双工目的端加扰下的非可信能量采集中继传输系统，包括源端S、非可信中继R和目的端D，源端S和非可信中继R分别设置单个天线；目的端D设置N个天线且工作在全双工模式下；源端S和目的端D之间存在直达链路；

将一个时间块T分成两个相同的时隙，第一时隙T/2内，源端S发送信息到非可信中继R和目的端D，目的端D在接收信息的同时发送干扰信号到非可信中继R，非可信中继R采用基于功率分配的能量采集协议进行采集能量和信息接收；第二时隙T/2内，源端和非可信中继发送信息至目的端D，目的端D采用最大比合并技术合并源端和非可信中继发送的信号。

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