CN111342877B - 多中继无线数据传输控制方法、通信系统及终端设备 - Google Patents

Abstract

本发明适用于无线通信技术领域，提供了多中继无线数据传输控制方法、通信系统及终端设备，多中继无线数据传输控制方法包括：构建含有直连链路的两跳多中继携能协作通信系统；以功率分配协议或时间切换协议构建所述两跳多中继携能协作通信系统的数据传输数学模型；以功率分配协议构建的数据传输数学模型，利用凸优化算法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量；以时间切换协议构建的数据传输数学模型，利用多边形逼近法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量。本发明考虑通信系统中直连链路以及多中继的存在，更加符合真实场景，同时根据不同的数学模型采用相应的求解方式解决优化问题，得到优化量最优策略。

Description

多中继无线数据传输控制方法、通信系统及终端设备

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于射频信号供能的多中继无线数据传输控制方法，多中继携能协作通信系统及终端设备。

背景技术

随着各种电子设备的数量将极大地增加，大量的无线通信设备是由容量有限的电池供电，设备的维护成本和生命周期很大程度上取决于电池，而它将直接影响设备的使用寿命。现有的处理方法通常是在电池耗尽后直接丢弃或者进行有线连接供能，虽然单个设备更换电池成本不高，但当设备数量海量增加时，直接丢弃会造成很多浪费。并且，由于数量很大，为数十亿个中继充电或更换电池变得不切实际且成本高昂。显然这并不符合节能减排绿色通信的理念。应该以一种更“绿色”的方式更好地利用。

协作通信亦是通信行业研究的重点领域之一，是解决通信领域的频谱资源紧缺问题的关键技术之一。“协作”就需要网络中多个设备进行资源共享，这也是进行协作通信技术的前提条件。在协作通信中，中继信道可以看作是直接传输信道的辅助信道来帮助发射机进行信息的传输通过空间分集来提高系统的性能。无线能量传输的方法有很多，如环境能量收集技术，近距离的电感耦合技术，远距离的激光传输。然而，这些技术的局限性也十分明显。环境能量收集技术是将环境能量从环境转换为电力，主要是为小型自主无线电子设备供电，其转换效率通常较低，而且所收集的功率通常很小(毫瓦或微瓦)。电感耦合技术局限在其适用范围较短，指向性较低。激光传输是在电磁辐射更接近光谱的可见区域(数十微米到数十纳米)的情况下，通过将电转换成激光束来传输功率，然后激光束指向光伏电池，其局限性在于需要有视距传输。

现有技术中，无线信息和功率传输可以在功率分配或时间切换模式中实现，功率分配或时间切换模式已经应用于中继网络，其中发射机将功率传输到中继设备，而中继设备协助发射机进行信息传输，在中继设备处引入能量和信息协作，但是现有技术中以一种模式方式进行考虑，即单独的功率分配或者时间切换模式，并且在系统模型中往往使用单中继进行协作，另外大部分系统模型都忽略掉了从发射机直接到接收机的直连链路，导致所构建的通信系统不符合实际场景，使得系统的总吞吐量非最优。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了基于射频信号供能的多中继无线数据传输控制方法，以解决现有技术中多中继无线数据传输系统总吞吐量非最优的问题。

本发明实施例提供了一种多中继无线数据传输控制方法，包括：

构建含有直连链路的两跳多中继携能协作通信系统；

以功率分配协议或时间切换协议构建所述两跳多中继携能协作通信系统的数据传输数学模型；

针对以功率分配协议构建的数据传输数学模型，利用凸优化算法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量；针对以时间切换协议构建的数据传输数学模型，利用多边形逼近法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量。

含有直连链路的两跳多中继携能协作通信系统包括：一个混合发射机、多个中继以及一个接收机；

所述混合发射机具有多个用于同时发射信号和能量的天线；

所述中继为单天线中继，中继用于接收混合发射机发送的信号和能量，并将接收到的信号和能量放大转发至接收机；

所述接收机为单天线接收机，接收机用于接收混合发射机及中继发射的信号和能量。

以功率分配协议或时间切换协议构建的所述两跳多中继携能协作通信系统的数据传输数学模型，包括：

计算第一跳中混合发射机到接收机的直连链路进行数据传输后，接收机端的信噪比γ₁；

计算第二跳中，混合发射机到接收机的直连链路以及经中继放大转发至接收机后，接收机端的信噪比γ₂；

接收机端的整体信噪比γ为：

γ＝γ₁+γ₂。

第一跳中接收机端的信噪比γ₁为：

其中，p_t为混合发射机的发射功率，

代表从混合发射机到接收机的直连信道f₀的赫尔米特转置，w₁代表混合发射机在第一跳中的波束成形向量。

第二跳中接收机端的信噪比γ₂为：

其中，x_n为中继n的功率放大系数，

w₂为第二跳时，混合发射机直接传输至接收机的波束成形向量，g_n为中继n到接收机的信道，ρ_n为中继n接收信号功率。

以功率分配协议构建的数据传输数学模型，利用凸优化算法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量，具体为：

利用凸优化算法，上式凸等价为：

W₀≥0,W₁≥0,and n∈{1,2,...,N}

其中，f_n为混合发射机到接收机的直连链路信道，f_n为从混合发射机到中继n的信道，W₀为中继充能时的混合发射机波束成形策略，W₁为第一跳时混合发射机的波束成形优化策略，

是一个常数。

以时间切换协议构建所述两跳多中继携能协作通信系统的数据传输数学模型，利用多边形逼近法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量，具体为：

将混合发射机看作虚拟中继，重写γ₂为瑞利熵，上式重新构建为：

利用多边形逼近法求解上式，得到最优吞吐量。

本发明的实施例还提供了一种多中继携能协作通信系统，包括一个混合发射机、多个中继以及一个接收机；所述混合发射机、所述中继及所述接收机无线连接；

所述混合发射机具有多个用于同时发射信号和能量的天线，所述混合发射机向所述中继及所述接收机发射信号和能量；

所述中继为单天线中继，中继用于接收混合发射机发送的信号和能量，并将接收到的信号和能量放大转发至所述接收机；

所述接收机为单天线接收机，所述接收机用于接收所述混合发射机及所述中继发射的信号和能量。

本发明的实施例还提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现多中继无线数据传输控制方法的步骤。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本技术方案中，构建含有直连链路以及多中继存在的多中继携能协作通信系统，更加符合真实场景；同时考虑PS协议和TS协议，并分别利用两种协议构建两跳多中继携能协作通信系统的数据传输数学模型，对其求解，并将优化结果进行比较，确定何种情况采用何种协议构建的模型可以得到最优的吞吐量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于射频信号供能的多中继无线数据传输控制方法流程示意图；

图2(a)是本发明实施例提供的两跳多中继携能协作通信系统中第一跳的结构图；

图2(b)是本发明实施例提供的两跳多中继携能协作通信系统中第二跳的结构图；

图3(a)是本发明实施例提供的功率分配协议的时隙划分；

图3(b)是本发明实施例提供的时间切换协议的时隙划分；

图4是本发明实施例提供的功率分配协议与时间切换协议计算所得吞吐量比较图；

图5是本发明实施例提供的不同信道条件下的性能提升比较图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明实施例中，首先构建含有直连链路的两跳多中继携能协作通信系统；

以功率分配协议或时间切换协议构建两跳多中继携能协作通信系统的数据传输数学模型；

针对以功率分配协议构建的数据传输数学模型，利用凸优化算法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量；针对以时间切换协议构建的数据传输数学模型，利用多边形逼近法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量。整体的流程见图1。

其中含有直连链路的两跳多中继携能协作通信系统的结构见图2，包括：一个混合发射机、多个中继以及一个接收机；

混合发射机具有多个用于同时发射信号和能量的天线；

中继为单天线中继，中继用于接收混合发射机发送的信号和能量，并将接收到的信号和能量放大转发至接收机；

接收机为单天线接收机，接收机用于接收混合发射机及中继发射的信号和能量。

在第一跳中，混合发射机波束以固定的发射功率p_t和波束成型向量w₁形成信息信号。波束成形信息可由中继和接收机直接接收，如图2(a)所示，这意味着混合发射机的波束成形设计必须平衡到中继和接收机的信息传输。

在第二跳中，中继放大并将接收的信号转发到接收机。第一跳中较高的直接传输速率可能降低中继的信号质量，从而导致中继传输的数据速率降低。在第二跳中的中继传输期间，发射机还利用新的波束成形向量w₂将相同的信息直接传输到接收机，如图2(b)所示。因此，接收机处的接收信号将是由中继转发的信号和来自混合发射机的直接波束成形信号的混合。通过接收机处的最大比率组合(MRC)，两个跳中的接收信号可以组合在一起以增强传输的可靠性。

以功率分配协议构建两跳多中继携能协作通信系统的数据传输数学模型，利用凸优化算法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量的具体过程为：

在功率分配协议(PS协议)中，整个时隙被分成两个子时隙，如图3(a)所示。混合发射机在第一个子时隙中的波束成形策略w₁用于同时进行功率和信息传输，其由PS比率控制。PS协议中的各个中继可以设置不同的PS比率，以最好地匹配混合发射机的波束成型策略和各个中继的能量需求。

设s表示具有单位功率的信息符号，在第一跳中从发射机传递到目标接收机。发射机发射的信号可以表示为

则第一跳在接收机端的信噪比(SNR)为

其中

代表从混合发射机到接收机的直连信道f₀的赫尔米特转置。假设接收机的噪声功率归一化为1。通过改变波束成型向量，发射机可以根据其信道条件和能量收集能力调整到不同中继的信息和能量传输。

给定发送信号x_s中继-n处的射频(RF)信号由

给出，其中f_n是从发射机到中继n的信道矢量。对于PS协议中的每个中继n，接收信号功率的一部分ρ_n被转换为功率，因此中继-n的发射功率ρ_n的上限界限如下：

其中η代表能量转换效率。另外1-ρ_n的信号功率被传递给信号检测器，因此在中继n处接收到的信号表示为：

其中为了方便定义

并且σ_n～CN(0,1)是零均值、单位方差的复高斯噪声。根据中继的能量需求和发射机的波束成型策略，各个中继可以调整PS比率

以改善接收机端的信号质量。

在第二跳中，中继放大并将信息转发给接收机。接收到信号r_n的能量为1+|y_n|²，定义每个中继n的功率放大系数为

与此同时，发射机可以通过一个新的波束成形策略w₂直接传输信息给接收机。因此，接收机处的接收信号r_d是发射机的直接波束成型信号和中继的联合传输的混合信号，即：

其中前两项与每个中继n的放大信号r_n有关，第三项

代表着从混合发射机发出的直接传输。于是第二跳的SNR可以表示为：

当直接链路出现在两跳时，通过在接收机处使用最大比合并(MRC)，整体SNR由γ＝γ₁+γ₂给出。

优化问题形式为：

而此时的优化问题在不同的中继下是非线性耦合的无法直接求解，因此将混合发射机看成一个虚拟中继，即视作中继0，这样可以设置ρ₀＝0并且

则可以重写为：

其中，x和g是(N+1)×1维的向量，x₀g₀＝1。令

M＝yy^H，即得到γ₂＝z^HMz/||z||²，则：

第一项是由瑞利熵的性质得到的，并且当z＝cy时成立，其中c是常量，意味着以下的等式约束：

于是，式(6)被凸等价为如下式子：

W₀≥0,W₁≥0,andn∈{1,2,...,N} (10e)

其中：p_t为混合发射机的发射功率，f₀为直连链路信道，f_n为发射机到中继n的信道情况，W₀为中继充能时的混合发射机波束成形策略，W₁为第一跳时发射机的波束成形优化策略。很明显，w₂仅涉及直连链路。因此，最佳w₂可以与直连链路对齐，即

定义了

则SNR上边界为

下面关注功率约束(6b)。从等式(9a)得到

并且中继n的发射功率可以表示为

其中

是一个常数。此时能量约束(6b)重写为：

相当于(10b)所示的线性矩阵不等式，通过引入辅助变量

定义矩阵变量，使得

二次约束

可以如(10c)中那样重写为线性形式。此外，定义

然后令

这可以放宽到线性矩阵不等式(10d)。很明显，(10d)中的约束在最佳状态下保持相等。一旦找到W₁和

最优PS比率为

注意到通过其凸近似

放宽等式

一旦最优W₁被找到，如果W₁是秩为1的，可以检索波束成型向量w₁。否则构造一个随机波束形成器w₁(t)，满足

以时间切换协议(TS)构建的数据传输数学模型，利用多边形逼近法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量，具体为：

TS协议中，长度为ω的专用子时隙被保留用于从混合发射机到中继的无线功率传输，如图3(b)所示。然后将时隙的另一部分，即1-ω用于中继辅助信息传输，其对于中继接收和转发阶段同等地划分。w₀和ω分别表示发射机的能量波束成型策略和专用功率传输的信道时间。为了实现最佳吞吐量，发射机可以优化能量收集时间以及波束成型策略。

与PS协议中相同，第一跳时接收机收到发射机通过直连链路传输的信号，信噪比(SNR)如式(1)所示，给定传输信号x_s，中继n接受到的信号为

并且会在第二跳被转发放大。令

则功率放大系数为

因此，第二跳中的接收信号和SNR可以分别以与式(5)和式(6)中相同的形式表示。所以，吞吐量最大化问题可以构建为：

与PS协议模型相似，将发射机看作一个虚拟中继并且定义

代表第二跳直连链路。然后可以写γ₂为瑞利熵，γ＝γ₁+γ₂的上界由下式给出：

等式成立条件为存在一些标量c，使得：

并且在第二跳时，发射机波束成形策略调整为与直连链路匹配，即

所以优化问题构建为：

W₀≥0,W₁≥0,t∈(0,1/2) (15c)

将(15d)带入第二式，并且定义

然后，转换(15)为如下等式：

TS协议的数学模型由于优化量t和s_n,0之间的耦合关系，所以是非凸的，很难直接求解，而注意到TS数学模型单调特性，想到采用多边形逼近法来求解优化问题近似解。

优化问题解决方案：

单调性也是一种特性，可用于有效的算法设计。利用多边形逼近法，系统地使用单调性，在无线网络的性能最大化问题中，将大大避免获得全局最优解的困难。通过改变变量，我们可以视信噪比

为决定变量。则式(16a)可以如

重写为更简单的形式，约束定义为：

显然，新的目标函数是随着t和

单调递增的。这就意味着最优值会出现在可行域Ω的边界上。

为了继续算法设计，首先验证可行集Ω表示正定集(Normal set)，其定义如下：

如果集合Ω为正定集，则对于z∈Ω，所有其他在范围0≤z′≤z的z′也同样在集合Ω里。需要证明问题(16)里的可行域Ω是一个关于

的正定集合。

假设

并且相对应的解由(t,W₀，W₁)给出。由于正定集合的性质，我们要给出

对于任意的

这就要求我们构建另一个解得集合(t′,W′₀，W′₁)。为了这个目标，我们设定

并且构建新的解的集合使得W′₁＝αW₁并且W′₀＝αW₀，这意味着：

s′_n,1(1+p_ts′_n,1)≤αs_n,1(1+p_ts_n,1)≤αθ_n(1/t-2)s_n,0≤θ_n(1/t′-2)s′_n,0

第一个不等式取决于α≤1且第二个不等式以解(t,W₀，W₁)表示为

最后一项不等式由t′≤t，于是，新的解对于问题(16b)～16d)是可行的。除此之外，有

意味着

且Ω表示正定集。

单调优化算法通过规则形状的多边型连续逼近可行集Ω，其被定义为有限间隔或密闭集合的并集。密闭集合的每个断点都是多边形块的顶点。随着密闭集合数量的增加，多边形块将近似于Ω。很明显将在一个有限顶点上获得一个递增目标函数相对于多边形块的最优值。

在第k次迭代中，单调算法方法首先确定多边形块

的一个顶点上的上界

并且还通过投影方法来评估下界

通过连续产生“较小的”多块P_k+1使得

该算法确保上下界之间的间隙逐渐减小。问题(15)的投影方法需要在二分搜索的每次迭代中求解半正定规划(SDP)。给定第k次迭代中的任何不可行顶点

我们通过参数λ_k将其缩小，然后检查

是否成立，这需要通过内点算法有效地解决SDP。通过使用二分法简单地执行对最大

的搜索。给定投影点

构造新多边形P_k+1。

为验证本发明的PS协议及TS协议求解最优吞吐量的可行性，进行实验，实验结果见图4，分析可知，PS协议下的系统吞吐量在能量充足情况下高于TS协议下的系统吞吐量，并且两种协议方案都高于只有直连链路的情况，体现了中继的作用；而在TS协议下只考虑中继存在的情况下，吞吐量是最低的，说明直连链路在系统吞吐量增益上的贡献占比是很大一部分增益，是不可忽略的；而当同时考虑中继和直连链路存在的情况，却没有以优化策略去调整混合发射机发射信号时的吞吐量表现也仅仅强于只有中继存在的情况，说明以PS和TS对系统进行的优化是很有效的。

另外，本发明评估了在不同信道条件下中继协作波束成型可实现的性能增益。混合发射机和接收机之间的距离d₀在2m到8m之间，并且用于能量收集和协作中继的数量N在3到5之间变化。性能增益值被视为多中继协作传输的吞吐量除以没有中继传输的非合作情况下的吞吐量。对于每个设置(d₀；N)，生成100个随机拓扑来评估平均性能增益。图5显示了不同距离d₀和中继N的性能增益。图5中的每条曲线对应于固定数量的中继。随着d₀的增加，由于直连链路信道状况的衰减，通过使用多中继协作传输观察到显着的性能增益。当d₀进一步增加超过阈值时，直连链路和中继信道都变得更差，并且相应地观察到性能增益的降低。对于固定距离d₀，观察到协作传输中的更多中继通常将改善性能增益。当d₀较小时，即d₀<4时，吞吐量由直连链路上的数据传输作主导。因此，由于中继的传输对总吞吐量的贡献有限，由不同数量的中继实现的性能增益差别很小。最重要的是，我们观察到实现最大性能增益的最佳距离相对于中继的数量增加。如图5所示，对于N＝3，4和5，最佳距离分别为6m，6.75m和7.25m。

本发明实施例还公开了一种多中继携能协作通信系统，包括一个混合发射机、多个中继以及一个接收机；所述混合发射机、所述中继及所述接收机无线连接；

所述混合发射机具有多个用于同时发射信号和能量的天线，所述混合发射机向所述中继及所述接收机发射信号和能量；

所述中继为单天线中继，中继用于接收混合发射机发送的信号和能量，并将接收到的信号和能量放大转发至所述接收机；

所述接收机为单天线接收机，所述接收机用于接收所述混合发射机及所述中继发射的信号和能量。

本发明实施例还公开了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现多中继无线数据传输控制方法的步骤。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于射频信号供能的多中继无线数据传输控制方法，其特征在于，包括：

构建含有直连链路的两跳多中继携能协作通信系统；

以功率分配协议或时间切换协议构建所述两跳多中继携能协作通信系统的数据传输数学模型；

针对以功率分配协议构建的数据传输数学模型，利用凸优化算法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量；针对以时间切换协议构建的数据传输数学模型，利用多边形逼近法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量；

其中，以功率分配协议构建的数据传输数学模型，利用凸优化算法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量，具体为：

利用凸优化算法，上式凸等价为：

W₀≥0,W₁≥0,and n∈{1,2,…,N}

其中，f₀为混合发射机到接收机的直连链路信道，f_n为从混合发射机到中继n的信道，W₀为中继充能时的混合发射机波束成形策略，W₁为第一跳时混合发射机的波束成形优化策略，

是一个常数；

以时间切换协议构建所述两跳多中继携能协作通信系统的数据传输数学模型，利用多边形逼近法计算得到两跳多中继携能协作通信系统的最优吞吐量，具体为：

将混合发射机看作虚拟中继，重写γ₂为瑞利熵，上式重新构建为：

利用多边形逼近法求解上式，得到最优吞吐量；

其中，所述含有直连链路的两跳多中继携能协作通信系统包括：一个混合发射机、多个中继以及一个接收机；

所述混合发射机具有多个用于同时发射信号和能量的天线；

所述中继为单天线中继，中继用于接收混合发射机发送的信号和能量，并将接收到的信号和能量放大转发至所述接收机；

所述接收机为单天线接收机，所述接收机用于接收所述混合发射机及所述中继发射的信号和能量；

以功率分配协议或时间切换协议构建的所述两跳多中继携能协作通信系统的数据传输数学模型，包括：

计算第一跳中混合发射机到接收机的直连链路进行数据传输后，接收机端的信噪比γ₁；

计算第二跳中，混合发射机到接收机的直连链路以及经中继放大转发至接收机后，接收机端的信噪比γ₂；

接收机端的整体信噪比γ为：

γ＝γ₁+γ₂；

第一跳中接收机端的信噪比γ₁为：

其中，p_t为混合发射机的发射功率，

代表从混合发射机到接收机的直连信道f₀的赫尔米特转置，w₁代表混合发射机在第一跳中的波束成形向量；

第二跳中接收机端的信噪比γ₂为：

其中，x_n为中继n的功率放大系数，

w₂为第二跳时，混合发射机直接传输至接收机的波束成形向量，g_n为中继n到接收机的信道，ρ_n为中继n接收信号的功率。

2.一种利用权利要求1所述基于射频信号供能的多中继无线数据传输控制方法的多中继携能协作通信系统，其特征在于，包括一个混合发射机、多个中继以及一个接收机；所述混合发射机、所述中继及所述接收机无线连接；

所述混合发射机具有多个用于同时发射信号和能量的天线，所述混合发射机向所述中继及所述接收机发射信号和能量；

所述中继为单天线中继，中继用于接收混合发射机发送的信号和能量，并将接收到的信号和能量放大转发至所述接收机；

所述接收机为单天线接收机，所述接收机用于接收所述混合发射机及所述中继发射的信号和能量。

3.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述方法的步骤。

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