CN111212469B - 一种基于恒参信道能量收集的协作通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于恒参信道能量收集的协作通信系统，包括源节点s、半双工中继节点r、目的节点d、能量源节点b以及窃听节点e。源节点s和目的节点d之间无直通链路，中继节点r接收源节点s的数据，并转发给目的节点d，所述中继节点r能量有限，从能量源节点b收集能量，收集能量结束后接收源节点s的数据，然后利用收集到的全部能量，将收集到的信息解码转发给目的节点d，根据能量收集信道增益系数为常数的特性，分析计算中继协作通信系统的中断概率P_Rout，通过采用不动点迭代方法计算出使中断概率最小的时间分配因子α_o，按这个时间分配因子确定中继节点的能量收集时间α₀T，信息接收时间(1‑α₀)T/2和信息发送时间(1‑α₀)T/2，来保证中继协作通信系统的中断概率最小，协作通信系统性能最优。

Description

一种基于恒参信道能量收集的协作通信系统

技术领域

本发明涉及的是一种基于恒参信道能量收集的协作通信系统，具体的说，是一种利用恒参信道恒定的增益系数，通过分析计算，选择最优的能量收集、信息接收和信息传输的时间，使系统中断概率最小的基于能量收集的协作通信系统。

背景技术

无线通信网络系统中，由于中继节点受到能量的限制，一旦设备电池耗尽，通常很难更换电池。而能量收集(energy harvesting，EH)技术能够为能量受限的网络提供几乎无限的能量供应。能量收集协作通信网络，可以在一定程度上提高数据的传输速率，又能够节省能源并延长系统工作时间，因此能量收集中继网络引起了广泛关注和应用。在中继网络中，时间转换策略是一种常用的能量收集技术。如何确定能量收集、信息接收和信息发送之间的时间比例分配，提高中继协作通信系统的性能，是一种非常关键的技术。如果能找到一种系统、方法或技术，可以确定出能量收集的时间，来保障中继协作通信的中断概率最小，这种系统、方法或者技术必然显著提高中继协作通信系统的性能。

发明内容

本发明的目的是：设计一种基于恒参信道能量收集的协作通信系统(如图1所示的通信系统)，利用能量收集信道增益系数为常数的特性，分析计算出可以使整个协作通信系统中断概率最小的能量收集时间比例，由此保证基于能量收集的协作通信系统性能最优。

本发明的技术方案是：一种基于恒参信道能量收集的协作通信系统，包括源节点s、半双工中继节点r、目的节点d、能量源节点b以及窃听节点e，所述源节点s和目的节点d之间无直通链路，中继节点r接收源节点s的数据，并转发给目的节点d，所述中继节点r能量有限，从能量源节点b收集能量，收集能量结束后接收源节点s的数据，然后利用收集到的全部能量将收集到的信息解码转发给目的节点d，所述中继节点r完成一次数据传输整体时间为T，其中能量收集时间为αT，信息接收时间为(1-α)T/2，信息发射传输时间为(1-α)T/2，α表示时间分配因子，所述时间分配因子α按如下的步骤确定：

步骤一：确定中继节点收集能量：在第1时隙αT内，中继节点r收集能量源节点b的辐射能量，中继节点在αT时间内收集到的能量E_h可以表示为：E_h＝ηP_b|h_br|²αT，其中，η表示能量收集系统的转换效率，取值范围为0＜η＜1，实际大小取决于整流过程和能量采集电路；P_b为能量源节点b的平均发射功率；h_br为能量源b至中继节点r的信道增益，能量收集信道恒参信道，即|h_br|²＝A为一常数；

步骤二：确定中继节点接收信号模型：第2时隙(1-α)T/2内，源节点s向中继节点r发送信息，中继节点r接收信号y_r可表示为：

其中，P_s表示源节点的平均发射功率，h_sr为源节点s至中继节点r的信道增益，服从均值为0，方差为

的瑞利分布，x_s为源节点发送的数据，且满足E{|x_s|²}＝1，n_r为中继节点接收到的带限加性高斯白噪声，n_r～N(0,N₀)，其中N₀表示噪声功率谱密度或方差；

步骤三：确定目的节点和窃听节点接收信号模型：在第3时隙(1-α)T/2内，中继节点r利用收集到的能量，采用解码转发协议(DF)协议，向目的节点d转发源节点s的信息。中继节点成功解码后，中继节点转发数据到目的节点，则目的节点接收到的信号y_d可表示为：

其中，P_r为中继节点的平均转发功率，h_rd为中继节点r至目的节点d的信道增益，服从均值为0，方差为

的瑞利分布，x_s为中继节点解码数据，其与源节点发送的数据相同，n_d为目的节点接收到的带限加性高斯白噪声，n_d～N(0,N₀)；中继节点在αT内收集的能量全部用在第3个时隙内转发数据，因此中继节点的平均转发功率为

则目的节点接收信号可进一步表示为：

与目的节点的分析过程类似，窃听节点e的接收信号可以表示为：

式中，h_re为中继节点r至窃听节点e的信道增益，服从均值为0，方差为

的瑞利分布，n_e为窃听节点接收到的带限加性高斯白噪声，n_e～N(0,N₀)；

步骤四：用系统的接收机信噪比SNR小于某信噪比阈值门限时发生中断的概率来描述通信系统的可靠性：当源节点s到中继节点r或者中继节点r到目的节点d传输不成功时都会发生中断，所以中断概率取决于两者中最小的一个；能量收集信道服从瑞利分布，中继节点r与目的节点d的接收机性能一致，则源节点s至目的节点d的中断概率为

步骤五：利用Steffensen迭代法计算最佳的时间分配因子α_o，理论上可以求出α_o使得中断概率最小，但是由于上式为超越方程，无法通过一般形式推导出最优的时间分配因子α_o，可以采用不动点迭代进行计算，Steffensen迭代能够使绝大多数不收敛的情况趋向于收敛，并且迭代速度大大加快，所以本专利采用Steffensen迭代法，具体算法如下

其中f(x)为步骤四中的P_out。

本发明的有益效果是:本发明提供了一种高性能的基于恒参信道能量收集的协作通信系统，根据能量收集信道为恒定常数的特性，分析计算中继协作通信系统的中断概率P_Rout，通过采用不动点迭代方法计算出使中断概率最小的时间分配因子α_o，按这个时间分配因子确定中继节点的能量收集时间α₀T，信息接收时间(1-α₀)T/2和信息发送时间(1-α₀)T/2，来保证中继协作通信系统的中断概率最小，通信性能最优。

附图说明

图1是本发明的基于恒参信道能量收集的中继协作通信系统模型。

图2是本发明的协作通信系统，在能量转换效率η＝0.5，信道容量阈值R＝2，信噪比SNR＝30，源节点至中继节点信道方差

中继节点至目的节点信道方差

中继节点至窃听节点信道方差

恒参信道增益系数A＝1时，协作通信系统的中断概率、截获概率随时间分配因子α的变化曲线图。

图3为本发明的协作通信系统，在能量转换效率η＝0.5，信道容量阈值R＝2，源节点至中继节点信道方差

中继节点至目的节点信道方差

中继节点至窃听节点信道方差

能量节点至中继节点信道增益系数A＝1时，在时间分配因子分别选择0.01、0.1、0.2278、0.35、0.5时，协作通信系统中断概率随信噪比的变化曲线。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明做进一步描述：

本发明的一种基于恒参信道能量收集的协作通信系统如图1所示，包括源节点s、半双工中继节点r、目的节点d、能量源节点b以及窃听节点e，源节点s和目的节点d之间无直通链路，中继节点r接收源节点s的数据，并转发给目的节点d，所述中继节点r能量有限，从能量源节点b收集能量，收集能量结束后接收源节点s的数据，然后中继节点利用收集到的全部能量，将接收的信息解码转发给目的节点d，中继节点r完成一次数据传输整体时间为T，其中能量收集时间为αT，信息接收时间为(1-α)T/2，信息发射传输时间为(1-α)T/2，α表示时间分配因子，所述时间分配因子α按如下的步骤确定：

步骤一：确定中继节点收集能量：在第1时隙αT内，中继节点r收集能量源节点b的辐射能量，中继节点在αT时间内收集到的能量E_h可以表示为：E_h＝ηP_b|h_br|²αT，其中，η表示能量收集系统的转换效率，取值范围为0＜η＜1，实际大小取决于整流过程和能量采集电路；P_b为能量源节点b的平均发射功率；h_br为能量源b至中继节点r的信道增益，能量收集信道恒参信道，即|h_br|²＝A为一常数；

步骤二：确定中继节点接收信号模型：第2时隙(1-α)T/2内，源节点s向中继节点r发送信息，中继节点r接收信号y_r可表示为：

其中，P_s表示源节点的平均发射功率，h_sr为源节点s至中继节点r的信道增益，服从均值为0，方差为

的瑞利分布，x_s为源节点发送的数据，且满足E{|x_s|²}＝1，n_r为中继节点接收到的带限加性高斯白噪声，n_r～N(0,N₀)，其中N₀表示噪声功率谱密度或方差；

步骤三：确定目的节点和窃听节点接收信号模型：在第3时隙(1-α)T/2内，中继节点r利用收集到的能量，采用解码转发协议(DF)协议，向目的节点d转发源节点s的信息。中继节点成功解码后，中继节点转发数据到目的节点，则目的节点接收到的信号y_d可表示为：

其中，P_r为中继节点的平均转发功率，h_rd为中继节点r至目的节点d的信道增益，服从均值为0，方差为

的瑞利分布，x_s为中继节点解码数据，其与源节点发送的数据相同，n_d为目的节点接收到的带限加性高斯白噪声，n_d～N(0,N₀)；中继节点在αT内收集的能量全部用在第3个时隙内转发数据，因此中继节点的平均转发功率为

则目的节点接收信号可进一步表示为：

与目的节点的分析过程类似，窃听节点e的接收信号可以表示为：

式中，h_re为中继节点r至窃听节点e的信道增益，服从均值为0，方差为

的瑞利分布，n_e为窃听节点接收到的带限加性高斯白噪声，n_e～N(0,N₀)；

步骤四：用系统的接收机信噪比SNR小于某信噪比阈值门限时发生中断的概率来描述通信系统的可靠性：当源节点s到中继节点r或者中继节点r到目的节点d传输不成功时都会发生中断，所以中断概率取决于两者中最小的一个；能量收集信道服从瑞利分布，中继节点r与目的节点d的接收机性能一致，则源节点s至目的节点d的中断概率为

步骤五：利用Steffensen迭代法计算最佳的时间分配因子α_o，理论上可以求出α_o使得中断概率最小，但是由于上式为超越方程，无法通过一般形式推导出最优的时间分配因子α_o，可以采用不动点迭代进行计算，Steffensen迭代能够使绝大多数不收敛的情况趋向于收敛，并且迭代速度大大加快，所以本专利采用Steffensen迭代法，具体算法如下

其中f(x)为步骤四中的P_out。

在能量转换效率η＝0.5，信道容量阈值R＝2，信噪比SNR＝30，源节点至中继节点信道方差

中继节点至目的节点信道方差

中继节点至窃听节点节点信道方差

能量节点至中继节点信道增益系数A＝1时，协作通信系统的中断概率、截获概率随时间分配因子α的变化曲线如图2所示，当α不同时，协作通信系统的中断概率P_out会发生变化，当α增大时中断概率降低，但随着α越来越大时P_out随之增长。对于窃听节点的截获概率P_int，随着α的增大P_int先迅速增大后基本保持不变，当α大于0.5之后，P_int随之下降。

在能量转换效率η＝0.5，信道容量阈值R＝2，源节点至中继节点信道方差

中继节点至目的节点信道方差

中继节点至窃听节点信道方差

能量节点至中继节点信道增益系数A＝1时，在时间分配因子α分别选择0.01、0.1、0.2278、0.35、0.5时，协作通信系统中断概率随信噪比的变化曲线如图3所示，从图3中可以看出，当时间分配因子α的取值最接近由Steffensen迭代法求出的最佳时间分配因子α₀时，协作通信系统的中断概率最低，通信系统性能最优。

当然，本发明还可以有其他的实施例，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做相应的改变，但这些改变都应该属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于恒参信道能量收集的协作通信系统，包括源节点s、半双工中继节点r、目的节点d、能量源节点b以及窃听节点e，其特征在于：所述源节点s和目的节点d之间无直通链路，中继节点r接收源节点s的数据，并转发给目的节点d，所述中继节点r能量有限，从能量源节点b收集能量，收集能量结束后接收源节点s的数据，然后利用收集到的全部能量将收集到的信息解码转发给目的节点d，所述中继节点r完成一次数据传输整体时间为T，其中能量收集时间为αT，信息接收时间为(1-α)T/2，信息发射传输时间为(1-α)T/2，α表示时间分配因子，所述时间分配因子α按如下的步骤确定：

步骤一：确定中继节点收集能量：在第1时隙αT内，中继节点r收集能量源节点b的辐射能量，中继节点在αT时间内收集到的能量E_h可以表示为：E_h＝ηP_b|h_br|²αT，其中，η表示能量收集系统的转换效率，取值范围为0＜η＜1，实际大小取决于整流过程和能量采集电路；P_b为能量源节点b的平均发射功率；h_br为能量源b至中继节点r的信道增益，能量收集信道为恒参信道，即|h_br|²＝A为一常数；

步骤二：确定中继节点接收信号模型：第2时隙(1-α)T/2内，源节点s向中继节点r发送信息，中继节点r接收信号y_r可表示为：

其中，P_s表示源节点的平均发射功率，h_sr为源节点s至中继节点r的信道增益，服从均值为0，方差为

的瑞利分布，x_s为源节点发送的数据，且满足E{|x_s|²}＝1，n_r为中继节点接收到的带限加性高斯白噪声，n_r～N(0,N₀)，其中N₀表示噪声功率谱密度或方差；

步骤三：确定目的节点和窃听节点接收信号模型：在第3时隙(1-α)T/2内，中继节点r利用收集到的能量，采用解码转发协议(DF)协议，向目的节点d转发源节点s的信息，中继节点成功解码后，中继节点转发数据到目的节点，则目的节点接收到的信号y_d可表示为：

其中，P_r为中继节点的平均转发功率，h_rd为中继节点r至目的节点d的信道增益，服从均值为0，方差为

的瑞利分布，x_s为中继节点解码数据，其与源节点发送的数据相同，n_d为目的节点接收到的带限加性高斯白噪声，n_d～N(0,N₀)；中继节点在αT内收集的能量全部用在第3个时隙内转发数据，因此中继节点的平均转发功率为

则目的节点接收信号可进一步表示为：

与目的节点的分析过程类似，窃听节点e的接收信号可以表示为：

式中，h_re为中继节点r至窃听节点e的信道增益，服从均值为0，方差为

的瑞利分布，n_e为窃听节点接收到的带限加性高斯白噪声，n_e～N(0,N₀)；

步骤四：用系统的接收机信噪比SNR小于某信噪比阈值门限时发生中断的概率来描述通信系统的可靠性：当源节点s到中继节点r或者中继节点r到目的节点d传输不成功时都会发生中断，所以中断概率取决于两者中最小的一个；能量收集信道服从瑞利分布，中继节点r与目的节点d的接收机性能一致，则源节点s至目的节点d的中断概率为

步骤五：利用Steffensen迭代法计算最佳的时间分配因子α_o，具体算法如下

其中f(x)为步骤四中的P_out。

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