CN111629417A - 适用于swipt hdaf中继系统最大化能量转移效率的传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种适用于SWIPT HDAF中继系统最大化能量转移效率的传输方法，包括：信源节点在
Figure DDA0002469235300000011
内发送导频信号x，目的节点和中继节点接收到信号；目的节点根据接收到的信号估计接收信噪比，并将估计结果通过反馈链路反馈给信源节点，信源节点根据接收信噪比与门限的关系选择相应信息传输方式传输信息，所述信息传输方式包括信源节点与目的节点之间采用直接传输或者中继传输。本发明中信源节点直接传输信息给目的节点，或者信源节点发送的信号经中继节点转发至目的节点，保证了链路通信质量的可靠性。

Description

适用于SWIPT HDAF中继系统最大化能量转移效率的传输方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体为一种适用于SWIPT HDAF中继系统最大化能量转移效率的传输方法。
背景技术
射频信号不但携带要传输的信息，而且其自身也具有能量。在无线通信系统中，如果可以在使用射频信号传输信息的同时传输能量，就可以很大程度上地延长无线网络系统的使用寿命。研究射频信号信息和能量同时传输的技术被称为SWIPT技术，该项技术的研究对无线传输网络的发展具有重大意义。中继技术可以延伸通信的覆盖范围、提高系统的容量以及提高用户的服务质量。中继作为通信系统的一个转发节点，具有接收和转发的功能，中继接收机的接收策略对系统的性能有重要的影响。信息和能量同时传输，关键在于接收机的设计，现有接收机的接收策略，主要有时间分割(TS)、功率分割(PS)以及TS和PS相结合等几种方式。协作多中继技术是5G的重要技术，混合解码放大转发协议(HDAF)与放大转发(AF)、解码转发(DF)协议相比，能在很大程度上提高系统的性能，成为近年来的研究热点。
从文献检索的结果来看，应用于多中继的中继选择方法并不多，主要有以下两种选择方法。
第一种是随机选择固定AF方案。当γSD>γth时，信源节点(S)与目的节点(D)之间采用直接传输；否则随机选择一个中继Rk*利用固定AF协议进行协助传输。随机中继选择不必反馈信道状态信息，该算法实现起来简单，由于中继节点和信源节点以及目的节点的信道状况也是随机的，时好时坏，采用这种中继选择算法网络性能不稳定，不能很好的确保通信性能。
第二种是基于max-min选择准则的固定AF中继选择方法，即由信道估计分别得到信源节点和目的节点与每个中继节点间的信噪比γsk、γkd，在每个中继节点分别与信源节点和目的节点间的两个信噪比中选出数值更小的信噪比；然后再比较各个中继节点选出的信噪比，找出数值最大的信噪比，该信噪比所对应的中继节点即为选择出的中继节点。max-min方法是选出一个中继采用固定AF协议同时与信源节点和目的节点进行通信，故为单天线选择方法；它能动态保证用户的通信质量，并进而提高传输速率；但是并没有选择利用系统最佳的通信路径，其可靠性有待提高。需要进一步指出的是，上述两种中继选择方法都采用了固定AF协议，且均未考虑能量效率的问题。AF协议是指中继将接收信号作简单的放大再转发给目的节点，它的优点是系统开销和复杂度小，但也放大了噪声，降低了系统性能。在能源受限的网络中,如无线传感器网络,通常由电池供电的节点在进行更换或对其充电是非常困难的。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种适用于SWIPT HDAF中继系统最大化能量转移效率的传输方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于SWIPT HDAF中继系统最大化能量转移效率的传输方法，具体步骤为：
信源节点在
Figure BDA0002469235280000021
内发送导频信号x，目的节点和中继节点接收到信号；
目的节点根据接收到的信号估计接收信噪比，并将估计结果通过反馈链路反馈给信源节点，信源节点根据接收信噪比与门限的关系选择相应信息传输方式传输信息，所述信息传输方式包括信源节点与目的节点之间采用直接传输或者中继传输，所述中继传输具体为：
信源节点在(1-α)T内广播能量信号；
中继节点在
Figure BDA0002469235280000022
内接收信源节点广播的信息信号；
根据每个中继节点从信源节点接收到的信号分别计算相应的接收信噪比γSRk，比较不同中继节点的接收信噪比的大小，选出信噪比最大的中继节点作为第一传输节点；
在
Figure BDA0002469235280000023
内，中继节点采用混合解码-放大转发协议将接收信号转发至目的节点；
计算出不同中继节点传输到目的节点的相应接收信噪比，比较不同目的节点接收信噪比的大小，选出信噪比最大的中继节点作为第二传输节点；
信源节点传输信息至第一传输节点，经第二传输节点传输给目的节点。
优选地，目的节点根据接收到的信号估计接收信噪比的具体公式为：
Figure BDA0002469235280000031
式中，PS为导频信号发送功率，hSD为链路S→D的信道增益，N0为噪声功率。
优选地，信源节点根据接收信噪比与门限的关系选择相应信息传输方式传输信息的具体方法为：
比较接收信噪比γSD与门限γth之间的大小：若γSD＞γth，信源节点与目的节点之间采用直接传输；当γSD≤γth时，进行中继传输。
优选地，每个中继节点从信源节点接收到的信号分别计算相应的接收信噪比的具体公式为：
Figure BDA0002469235280000032
式中，PS为导频信号发送功率，hk为链路S→Rk的信道增益，N0为噪声功率。
优选地，中继节点采用混合解码-放大转发协议将接收信号转发至目的节点的具体方法为：
若(γSRk)max<γSR,中继节点采用解码转发传输协议，将来自信源节点的接收信号解码后转发至目的节点，其中，γSR为传输协议选择门限，(γSRk)max为第一传输节点的接收信噪比；
若(γSRk)max>γSR，中继节点采用放大转发协议，将来自信源节点的接收信号放大后转发至目的节点。
优选地，中继节点采用放大转发协议转发信号时，可变放大倍数为：
Figure BDA0002469235280000033
式中，
Figure BDA0002469235280000034
为中继节点的发射功率，PS为导频信号发送功率，hk为链路S→Rk的信道增益，N0为噪声功率。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明中信源节点直接传输信息给目的节点，或者信源节点发送的信号经中继节点转发至目的节点，保证了链路通信质量的可靠性，其中，利用中继传输时，中继节点采用了HDAF协议向目的节点转发信息信号，分别选出S→Rk和Rk→D这两条链路中最大的接收信噪比，这样做保证了系统能量效率的最大化，保障了通信系统的能耗，本发明在整个中继选择过程中，在保证链路通信的可靠性的基础上，实现了系统能量效率的最大化，从而能够发挥出多天线系统的最佳性能，其信道传输性能达到最好。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是本发明的系统模型图。
图2为基于时隙切换的系统链路时隙分配图。
图3为本发明的流程图。
图4为本发明在HDAF协议下与现有的随机选择固定AF方案、max-min选择固定AF方案在不同中继节点个数(K)和不同信噪比(SNR)下的中断概率比较曲线示意图。
图5本发明在HDAF协议下与现有的随机选择固定AF方案、max-min选择固定AF方案在不同中继节点个数(K)和不同信噪比(SNR)下的能量效率比较曲线示意图。
图6为本发明在HDAF协议下与现有的随机选择固定AF方案、max-min选择固定AF方案在不同中继节点个数(K)和不同信噪比(SNR)下的吞吐量比较曲线示意图。
具体实施方式
一种适用于SWIPT HDAF中继系统最大化能量转移效率的传输方法，用于SWIPT网络，所述SWIPT网络由一个信源节点(S)、多个SWIPT缓存队列中继节点(Rk,k＝1,2,...,K)以及一个目的节点(D)组成SWIPT网络，所有的节点均配备一根天线，此处假设任何一个中继节点都可以无差错、无失真的将信息传输给其他中继节点，即中继节点之间可以互相通信，具体实现步骤为：
步骤1：信源节点(S)在
Figure BDA0002469235280000041
内以功率Ps发送导频信号x，目的节点(D)和中继节点(Rk)接收到的信号分别标记为ySD和ySRk，其中α(0≤α≤1)为时间转换因子，T为传输总时间。
具体地，目的节点(D)接收的信号具体为：
Figure BDA0002469235280000051
hSD为链路(S→D)的信道增益，nD为目的节点(D)处的噪声；
任意一个中继节点(Rk)的接收信号具体为：
Figure BDA0002469235280000052
其中hk为S→Rk这一链路的信道增益，nRk为中继节点(Rk)处的噪声；
步骤2：目的节点(D)和中继节点(Rk)根据接收到的信号估计接收信噪比，并将估计结果通过反馈链路反馈给信源节点(S)，信源节点(S)根据接收信噪比与门限的关系选择相应信息传输方式，具体选择过程如下：
根据ySD计算出目的节点(D)处的接收信噪比(γSD)，比较接收信噪比(γSD)与门限γth之间的大小：若γSD＞γth，信源节点(S)与目的节点(D)之间采用直接传输，此时不需要向Rk广播能量信号，整个系统的能量效率
Figure BDA0002469235280000053
其中ISD为S→D链路的信道容量，ESD为信源端的能量消耗，待传输完成后返回步骤1，此时，若γSD<γop则发生中断，γop为中断门限；否则，当γSD≤γth时，进行中继传输；
具体地，目的节点(D)处的接收信噪比具体为：
Figure BDA0002469235280000054
其中N0为噪声功率；S→D链路的信道容量ISD＝log2(1+γSD)，信源端消耗的能量
Figure BDA0002469235280000055
中继传输的具体方法为：信源节点S在(1-α)T内广播能量信号，中继节点Rk采集能量；
中继节点Rk在
Figure BDA0002469235280000056
内接收信源节点S广播的信息信号，记为ySRk；
根据每个中继节点从信源节点S接收到的信号分别计算出相应的接收信噪比γSRk，比较不同中继节点的接收信噪比γSRk的大小，选出信噪比最大的中继节点作为第一传输节点，其接收信噪比记为(γSRk)max，这样可以保证系统通信的可靠性。
具体地，中继节点接收信噪比为：
Figure BDA0002469235280000061
在
Figure BDA0002469235280000062
内，中继节点采用混合解码-放大转发(HDAF)协议将接收信号ySRk转发至目的节点(D)；计算出不同中继节点传输到目的节点的相应接收信噪比，比较不同目的节点接收信噪比γRkD的大小，选出信噪比最大的中继节点作为第二传输节点；信源节点(S)传输信息至第一传输节点，经第二传输节点传输给目的节点(D)。
具体地，若(γSRk)max<γSR,γSR为传输协议选择门限，(γSRk)max为第一传输节点的接收信噪比，中继节点采用解码转发(DF)传输协议，将来自信源节点(S)的接收信号ySRk解码之后再转发至目的节点(D)，接收信号记为yRkD；目的节点(D)的接收信号具体为：
Figure BDA0002469235280000063
h'k为Rk→D这一链路的信道增益。
接收信噪比具体为：
Figure BDA0002469235280000064
其中，中继节点(Rk)的发射功率
Figure BDA0002469235280000065
Figure BDA0002469235280000066
为中继节点(Rk)从信源节点(S)发送的信号中采集到的能量，η(0＜η＜1)代表能量转换效率。通过比较不同中继节点的接收信噪比γRkD的大小，选出信噪比最大的中继节点
Figure BDA0002469235280000067
最大能量效率
Figure BDA0002469235280000068
IDF表示采用DF协议时S→Rk→D这一链路的信道容量，ESkD表示S→Rk→D这一链路消耗的能量，分别具体为：
Figure BDA0002469235280000069
若(γSRk)max>γSR，中继节点采用放大转发(AF)协议，将来自信源节点(S)的接收信号ySRk放大之后再转发至目的节点(D)，接收信号记为yRkD，
具体地，中继节点(Rk)的可变放大倍数为：
Figure BDA00024692352800000610
中继节点(Rk)将其接收信号ySRk放大Gk倍后转发到目的节点(D)，则目的节点的接收信号为
Figure BDA0002469235280000071
h'k为Rk→D这一链路的信道增益，整个系统最大的接收信噪比
Figure BDA0002469235280000072
此时整个系统的最大能量效率
Figure BDA0002469235280000073
其中
Figure BDA0002469235280000074
Figure BDA0002469235280000075
返回步骤1，直至通信结束。
实施例1
以下是本发明实施例方法的中断概率、能量效率以及吞吐量的实验结果。仿真实验的具体条件为：独立同分布Nakagami-m衰落信道，能量转换效率η＝0.5，时间转换因子α＝0.5,预设信噪比门限值γth＝10,γop＝3,γSR＝10。
图4、图5、图6分别为本发明在HDAF协议下与现有的随机选择固定AF方案、max-min选择固定AF方案在不同中继节点个数(K)和不同信噪比(SNR)下的中断概率、能量效率以及吞吐量的比较曲线。两图中的横坐标为信道的信噪比(单位为dB)，纵坐标分别为中断概率、能量效率以及吞吐量。图中实线“-”为K＝3的情况，点线“...”为K＝5的情况，标注符号“*”为随机选择方案，标注符号“o”为max-min方案，标注符号“+”为本发明方案。
从图4、图5和图6可见：本发明的实施方案，在任意K值，任意信噪比SNR值下，中断概率明显低于max-min方案和随机选择方案，能量效率和吞吐量明显高于max-min方案和随机选择方案，并且随着K值的增大，本发明方案的中断概率和能量效率减小，吞吐量增大。例如，当K＝5时，SNR＝5dB，本发明方案中的中断概率约为0.0006，能量效率约为0.90，吞吐量约为2.30；随机选择方案的中断概率约为0.45，能量效率约为0.61，吞吐量约为1.61；而max-min方案下的中断概率约为0.02，能量效率为0.84，吞吐量约为2.14。这表明在HDAF协议下，本发明的中断概率、能量效率和吞吐量都明显好过现有方案。

Claims (6)

1.一种适用于SWIPT HDAF中继系统最大化能量转移效率的传输方法，其特征在于，具体步骤为：
信源节点(S)在
Figure FDA0002469235270000011
内发送导频信号x，目的节点(D)和中继节点(Rk)接收到信号；
目的节点(D)根据接收到的信号估计接收信噪比，并将估计结果通过反馈链路反馈给信源节点(S)，信源节点(S)根据接收信噪比与门限的关系选择相应信息传输方式传输信息，所述信息传输方式包括信源节点(S)与目的节点(D)之间采用直接传输或者中继传输，所述中继传输具体为：
信源节点(S)在(1-α)T内广播能量信号；
中继节点(Rk)在
Figure FDA0002469235270000012
内接收信源节点(S)广播的信息信号；
根据每个中继节点从信源节点(S)接收到的信号分别计算相应的接收信噪比γSRk，比较不同中继节点的接收信噪比的大小，选出信噪比最大的中继节点作为第一传输节点；
在
Figure FDA0002469235270000013
内，中继节点采用混合解码-放大转发(HDAF)协议将接收信号转发至目的节点(D)；
计算出不同中继节点传输到目的节点的相应接收信噪比，比较不同目的节点接收信噪比的大小，选出信噪比最大的中继节点作为第二传输节点；
信源节点(S)传输信息至第一传输节点，经第二传输节点传输给目的节点(D)。
2.根据权利要求1所述的适用于SWIPT HDAF中继系统最大化能量转移效率的传输方法，其特征在于，目的节点(D)根据接收到的信号估计接收信噪比的具体公式为：
Figure FDA0002469235270000014
式中，PS为导频信号发送功率，hSD为链路S→D的信道增益，N0为噪声功率。
3.根据权利要求1所述的适用于SWIPT HDAF中继系统最大化能量转移效率的传输方法，其特征在于，信源节点(S)根据接收信噪比与门限的关系选择相应信息传输方式传输信息的具体方法为：
比较接收信噪比γSD与门限γth之间的大小：若γSD＞γth，信源节点(S)与目的节点(D)之间采用直接传输；当γSD≤γth时，进行中继传输。
4.根据权利要求1所述的适用于SWIPT HDAF中继系统最大化能量转移效率的传输方法，其特征在于，每个中继节点从信源节点(S)接收到的信号分别计算相应的接收信噪比的具体公式为：
Figure FDA0002469235270000021
式中，PS为导频信号发送功率，hk为链路S→Rk的信道增益，N0为噪声功率。
5.根据权利要求1所述的适用于SWIPT HDAF中继系统最大化能量转移效率的传输方法，其特征在于，中继节点采用混合解码-放大转发(HDAF)协议将接收信号转发至目的节点的具体方法为：
若(γSRk)max<γSR,中继节点采用解码转发(DF)传输协议，将来自信源节点(S)的接收信号解码后转发至目的节点(D)，其中，γSR为传输协议选择门限，(γSRk)max为第一传输节点的接收信噪比；
若(γSRk)max>γSR，中继节点采用放大转发(AF)协议，将来自信源节点(S)的接收信号放大后转发至目的节点(D)。
6.根据权利要求5所述的适用于SWIPT HDAF中继系统最大化能量转移效率的传输方法，其特征在于，中继节点采用放大转发(AF)协议转发信号时，可变放大倍数为：
Figure FDA0002469235270000022
式中，
Figure FDA0002469235270000023
为中继节点的发射功率，PS为导频信号发送功率，hk为链路S→Rk的信道增益，N0为噪声功率。
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