CN111629419B - 适用于af中继系统的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于AF中继系统的传输方法，信源节点传输导频信号给目的节点和中继节点，两者分别根据接收到的信号估计接收信噪比，然后把估计结果通过反馈链路反馈给信源节点，从而选择信息传输方式：信源节点直传信号至目的节点，或者信源节点通过中继节点将接收到的信号放大后转发到目的节点。其中，后者选出目的节点接收信噪比大于某一固定信噪比门限值所对应的中继节点集合，这样可以保证主链路通信质量的可靠性。同时，在候选中继节点集合中，选择使得系统能量效率最大的中继节点传输，即可保证通信系统的能耗。

Description

适用于AF中继系统的传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体为一种适用于AF中继系统的传输方法。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的发展，通信规模日益增大，通讯业务呈多样性、多元化趋势发展，然而通信产业的频谱资源已供不应求，对网络终端设备的低能耗和网络环境延长生命周期的需求增长。在保证通信质量的前提下，主要通过提高通信网络的能效来降低能耗，或采用能量收集技术来缓解能源短缺的问题。在“绿色通信”概念下提出的无线协能(SWIPT)技术，作为无线信息传输和无线能量传输两种技术的延伸，旨在信息解码和能量采集时使用相同的无线信号。协作多中继技术作为5G的重要技术，在节点能量受限的情况下，基于时隙切换的SWIPT中继接收机辅助传输，不仅能保障系统的可靠性，还能有效提高系统频谱利用率。

目前应用于多中继系统的传输方案并不多，主要有以下两种方案，都存在着各自的缺陷。

第一种是基于max-min选择准则的中继选择方案，即在通过第一跳链路(S→R_k)的瞬时信噪比γ_sk与通过第二跳链路(R_k→D)的瞬时信噪比γ_kd之间选出数值更小的瞬时信噪比；然后，再比较各个中继节点选出的瞬时信噪比，找出数值最大的瞬时信噪比，该瞬时信噪比所对应的中继即为选择出的中继。max-min方案能动态保证较差一跳链路的通信质量，并进而提高传输速率；但是并没有开发利用系统最佳的通信路径，其信道传输的可靠性仍然有待提高。

第二种是随机选择方案。即利用无线信道的随机变化的特性，随机选择一个中继节点R_k*协助传输。在无线衰落信道服从独立同分布情况下，该方案能实现较好的接收性能。然而，当无线衰落信道存在相关性，或者服从非同分布情况下，该方案的接收性能较差。

需要进一步指出的是，上述两种中继选择方案仅仅考虑了系统的可靠性问题，并没有考虑系统的能量效率问题。通信网络中的大部分设备(如中继、移动用户等)是需要外界电池供能的，而电池容量有限，一旦电量耗尽需要通过充电的方式以保证设备继续工作，但多数情况下传统的充电方式难以实现，如极端的天气条件和恶劣的环境(高温高压下的WSN)等。另外，电池本身会老化，因此需要定期更换。电池的更换过程需要大量的人力、物力，而旧电池的处理不当还会污染环境。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种适用于AF中继系统的传输方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于AF中继系统的传输方法，具体步骤为：

步骤1：信源节点在

内以功率P_s发送信号x，目的节点和中继节点分别接收到此信号，其中α为时间转换因子，T为传输总时间，0≤α≤1；

步骤2：目的节点根据接收到的信号估计接收信噪比，并将估计结果反馈给信源节点，信源节点根据估计接收信噪比选择相应信息传输方式，具体为：当估计接收信噪比大于第一门限，信源节点直接将信息传输至目的节点，完成信息传输，否则，进行步骤3；

步骤3：信源节点传输信号至中继节点，在(1-α)T内，中继节点采集能量；在

内，中继节点接收信号，并对接收信息信号进行放大之后在

内转发至目的节点；

根据目的节点从每个中继节点处接收到的信号分别计算出相应的接收信噪比，通过比较接收信噪比与第二门限之间的大小，选择比第二门限大的接收信噪比所对应的中继节点，构成中继节点集合S_N；

步骤4：计算通过链路S→Rk→D，Rk∈S_N的能量效率，选择能量效率最大时对应的中继节点作为传递节点进行信号传递。

优选地，根据接收到的信号估计接收信噪比的公式为：

式中，h_SD为信源节点到目的节点链路(S→D)的信道增益，N₀为噪声功率。

优选地，中继节点对接收信息信号进行放大的具体倍数为：

式中，P_Rk为中继节点的发射功率，N₀为噪声功率，h_1k为第一跳链路的信道增益。

优选地，中继节点的发射功率具体为：

式中，E_Rk＝η(1-α)TP_S为中继节点经过能量接收机处理后从信源节点发送的信号中采集到的能量，η代表能量转换效率。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明以绿色通信为研究背景，结合了能量采集和协作中继技术，设置了两重门限，考虑到了信号传播范围，优先选择了最佳传输方式，整个中继选择的过程，首先在保证通信的一定可靠性的前提下，最大化整个通信系统的能量效率性能，从而发挥出多中继系统的最佳性能。可靠性和能量效率是衡量5G/B5G无线通信系统通信质量的重要指标，本发明具有重要的意义和实用价值。

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为本发明的SWIPT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代表本发明的流程图。

图4是随着信噪比(SNR)的增大，本发明与现有的max-min方案以及随机选择方案受中继节点个数(K)影响的中断概率比较曲线。

图5是随着信噪比(SNR)的增大，本发明与现有的max-min方案以及随机选择方案受中继节点个数(K)影响的能量效率比较曲线。

图6是随着信噪比(SNR)的增大，本发明方案与现有的max-min方案以及随机选择方案受中继节点个数(K)影响的吞吐量的比较曲线。

具体实施方式

如图3所示，一种适用于AF中继系统的传输方法，由一个信源节点(S)、多个SWIPT缓存队列中继节点(R_k,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；具体步骤为：

步骤1：如图2所示，信源节点(S)在

内以功率P_s发送信号x，且目的节点(D)和中继节点(R_k)都可接收此信号，进一步地，目的节点(D)和中继节点(R_k)接收到的信号分别为y_SD和y_SRk，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：

h_SD为信源节点到目的节点链路(S→D)的信道增益，n_D为目的节点(D)处的噪声；

任意一个中继节点(R_k)的接收信号具体为：

其中h_1k为第一跳链路(S→Rk)的信道增益，n_Rk为中继节点(R_k)处的噪声；

步骤2：目的节点(D)根据接收到的信号估计接收信噪比，然后把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，此处忽略信道估计所需时间。

其中，信源节点(S)根据估计接收信噪比选择相应信息传输方式，具体方案为：比较目的节点(D)处的接收信噪比(γ_SD)与门限

之间的大小：当

时，信源节点(S)直接传输信息至目的节点(D)，完成当前传输，此时整个系统的能量效率

其中I_SD为S→D链路的信道容量，E_SD为信源端的能量消耗；当

时，启用中继传输，进行步骤3；

进一步地，目的节点(D)处的接收信噪比具体为：

N₀为噪声功率；

S→D链路的信道容量I_SD＝log₂(1+γ_sd)，此时整个系统的信源端的能量消耗

步骤3：信源节点(S)传输信号至中继节点(R_k)，在(1-α)T内，中继节点(R_k)采集能量；在

内，中继节点(R_k)接收的信号，记为y_SRk，对中继节点(R_k)接收信息信号进行放大之后在

内转发至目的节点(D)，则目的节点(D)的接收信号为y_RkD。

根据目的节点(D)从每个中继节点处接收到的信号分别计算出相应的接收信噪比(γ_SkD)，通过比较接收信噪比(γ_SkD)与门限

之间的大小，选择比门限

大的接收信噪比(γ_SkD)所对应的中继节点，构成中继节点集合S_N，其中，N是满足

条件的中继节点个数(N≤K)；如果满足条件的中继节点个数N为0，则说明满足条件的中继节点集合为空集，此时，重复上述操作，直至选出的中继节点个数N≥1，这样可以在一定程度上保证链路(S→Rk→D)通信的可靠性；

进一步地，根据中继节点(R_k)接收的信号y_SRk确定中继节点(R_k)的可变放大倍数

其中N₀为噪声n_Rk的功率，P_Rk为中继节点(R_k)的发射功率，具体为：

E_Rk＝η(1-α)TP_S为中继节点(R_k)经过能量接收机处理后从信源节点(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；

进一步地，中继节点(R_k)将其接收信号y_SRk乘以放大倍数Gk，完成放大处理之后发送给目的节点，则目的节点的接收信号为yR_kD＝G_kh_1kh_2kx+G_kh_2knR_k+n_D，h_2k为第二跳链路(Rk→D)的信道增益；

根据目的节点的接收信号y_RkD计算出目的节点的接收信噪比

其中

从而选出使得

的中继节点集合S_N。

步骤4：在候选的中继节点集合S_N中，计算出通过S→Rk→D，Rk∈S_N这一链路目的节点(D)的能量效率

其中I_SkD为该链路的信道容量，E_SkD为系统消耗能量。通过比较不同候选中继节点对应的能量效率(EE)之间的大小，最终选择出一个使得能量效率(EE)最大的最佳中继节点，利用该中继节点进行信号传递，这样可以保证系统通信的可靠性；

其中，从候选的中继节点集合S_N中，S→Rk→D链路的信道容量具体为：

能量消耗具体为：

Rk∈S_N。最终选择的中继节点k^*满足以下关系

实施例

以下是本发明实施例的中断概率、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，能量转换率η＝0.5,时隙因子α＝0.5,预设信噪比门限值

如图1所示，信源节点(S)以功率P_s发送导频信号x，目的节点(D)和具有信息传输与能量收集功能的SWIPT中继节点(R_k)都可接收此信号，分别为y_SD和y_SRk，目的节点(D)和中继节点(R_k)根据接收到的信号估计信道，然后把估计结果h_SD通过反馈链路反馈给信源节点(S)，从而选择信息传输方式。

图4、图5和图6分别是本发明方案在变化增益AF下，与现有的max-min方案以及随机选择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。三图中的横坐标为信道的信噪比值(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＝2的情况，点线“˙˙˙”为K＝4的情况，标注符号“o”为max-min方案，标注符号“*”为随机选择方案，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。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＝2时，SNR＝10dB，本发明中的中断概率约为0.21，能量效率约为0.96，吞吐量约为9.36；max-min方案下的中断概率约为0.26，能量效率为0.91，吞吐量约为8.85；而随机选择方案的中断概率约为0.41，能量效率约为0.88，吞吐量约为8.64。这表明在变化增益AF协议下，本发明的中断概率性能、能量效率和吞吐量都明显好过现有方案。

Claims (3)

1.一种适用于AF中继系统的传输方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1：信源节点S在

内以功率P_s发送信号x，目的节点D和中继节点R_k分别接收到此信号，其中α为时间转换因子，T为传输总时间，0≤α≤1；

步骤2：目的节点D根据接收到的信号估计接收信噪比，并将估计结果反馈给信源节点S，信源节点S根据估计接收信噪比选择相应信息传输方式，具体为：当估计接收信噪比大于第一门限，信源节点直接将信息传输至目的节点，完成信息传输，否则，进行步骤3；

步骤3：信源节点S传输信号至中继节点R_k，在(1-α)T内，中继节点R_k采集能量；在

内，中继节点R_k接收信号，并对接收信息信号进行放大之后在

内转发至目的节点D；

中继节点R_k对接收信息信号进行放大的具体倍数为：

式中，P_Rk为中继节点R_k的发射功率，N₀为噪声功率，h_1k为第一跳链路S→R_k的信道增益；

根据目的节点D从每个中继节点处接收到的信号分别计算出相应的接收信噪比，通过比较接收信噪比与第二门限之间的大小，选择比第二门限大的接收信噪比所对应的中继节点，构成中继节点集合S_N；

步骤4：计算通过链路S→R_k→D，Rk∈S_N的能量效率，选择能量效率最大时对应的中继节点作为传递节点进行信号传递。

2.根据权利要求1所述的适用于AF中继系统的传输方法，其特征在于，根据接收到的信号估计接收信噪比的公式为：

式中，h_SD为信源节点到目的节点链路(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AF中继系统的传输方法，其特征在于，中继节点R_k的发射功率具体为：

式中，E_Rk＝η(1-α)TP_S为中继节点R_k经过能量接收机处理后从信源节点S发送的信号中采集到的能量，η代表能量转换效率。

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