CN111629420A - 适用于hdaf中继系统的传输方法 - Google Patents

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唐璐
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Abstract

本发明提出了一种适用于HDAF中继系统的传输方法，信源节点以功率发送导频信号，且目的节点和中继节点都可接收此信号，目的节点和中继节点根据接收到的信号估计接收信噪比，然后把估计结果反馈给信源节点，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转发到目的节点。其中，后者的中继节点采用HDAF传输协议，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HDAF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HDAF中继系统的传输方法。
背景技术
无线协能传输(SWIPT)是解决能量受限网络中能量稀缺问题的无线传输技术。不同于传统的依靠外界电源供能的网络，SWIPT网络节点从接收的射频信号中收集能量，并将其用于后续信息的发送，克服了能量收集技术对外界电源的依赖。实现SWIPT通信的关键在于接收机结构的设计，主要有“功率分割(Power Splitting,PS)”、“时间切换(TimeSwitching,TS)”和“天线切换(Antenna Switching,AS)”等，可提高系统的频谱效率。协作多中继技术是5G的重要技术，Bao和Li结合两种中继基本转发协议的优势，提出了混合型解码放大转发(HDAF)协议，即当源端至中继端的信道条件较好时优先采用DF协议，反之采用AF协议，能大大提高通信的可靠性。
协作中继网络中，中继节点常按照以下两种传输协议进行信息处理，都存在着各自的缺陷。
第一种是放大转发(Amplify–and-Forward,AF)协议，对于AF协议，中继节点将接收到的信号放大后，再转发给目的节点，这种方式容易实现，但在放大有用信号的同时，也会放大干扰和噪声。因此，AF协议适用于高信噪比(Signal to Noise Rate,SNR)下的情形。在AF中继协议中，中继节点并不需要解码和再生信号，因此对于AF中继协议，中继节点转发时比较容易并且能够减少处理延迟的时间，其缺陷在于不分离有用信号和噪声，同时进行无差别的放大，这将导致有用信号的失真。
第二种是解码转发(Decode–and-Forward,DF)协议。对于DF协议，中继节点从接收到的信号中提取发送的信息，然后重新编码并将它们转发到目的节点。固定DF中继协议即中继始终检测和转发从源节点接收的信号，由于中继节点转发信号的质量受到源节点到中继节点以及中继节点到目的节点信道情况的约束，带来了中继节点协作传输的不确定性，且低估了错误解码的可能性，一旦错误的信息转发出去，必然会降低系统的性能。
需要进一步指出的是，上述两种中继传输协议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。无线通信系统通常携带外用电，无论是制造水平还是高频率的数据通信，这都影响着电池的服务寿命。对于可充电的电池，在某些极端的情况下，网络中的节点根本无法进行充电，如高山峻岭、荒漠、极地等。对于不可充电的电池，只有更换电池。电池的更换不仅会影响用户高速信息交互的需求而且废电池的处理不当还会污染自然环境。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种适用于HDAF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HDAF中继系统的传输方法，具体步骤为：
步骤1：信源节点在
Figure BDA0002469406470000021
内以功率Ps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后，在(1-α)T内，中继节点采集能量；在
Figure BDA0002469406470000022
内，中继节点接收信号，中继节点通过混合解码-放大转发协议处理接收信号，并将处理后的信号转发至目的节点，确定信道容量；
步骤4：根据信道容量计算通过链路S→Rk→D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，目的节点根据接收到的信号估计接收信噪比的公式为：
Figure BDA0002469406470000023
式中，hSD为信源节点到目的节点链路的信道增益，N0为噪声功率。
优选地，中继节点通过混合解码-放大转发协议处理接收信号的具体方法为：比较所有中继节点处的接收信噪比与第二门限之间的大小：若有中继节点处的接收信噪比小于第二门限，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；否则，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之后转发至目的节点(D)。
优选地，中继节点处的接收信噪比具体为：
Figure BDA0002469406470000031
其中，N0为噪声nRk的功率，h1k为第一跳链路(S→Rk)的信道增益。
优选地，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时，信道容量为：
ISkD＝0.5log2(1+γkd)，
式中，γkd为目的节点的接收信噪比。
优选地，接收信噪比具体为：
Figure BDA0002469406470000032
式中，PRk为中继节点的发射功率，h2k为第二跳链路Rk→D的信道增益，N0为噪声功率。
优选地，中继节点采用放大转发协议，将来自信源节点(S)的接收信号放大之后转发至目的节点(D)时，放大倍数为：
Figure BDA0002469406470000033
式中，PRk为中继节点的发射功率，h1k为第一跳链路(S→Rk)的信道增益，E(·)表示求均值，N0为噪声功率。
优选地，中继节点采用放大转发协议，将来自信源节点(S)的接收信号放大之后转发至目的节点时，信道容量为：
ISkD＝0.5log2(1+γskd)，
式中，γkd为目的节点的接收信噪比。
优选地，目的节点的接收信噪比具体为：
Figure BDA0002469406470000034
其中，
Figure BDA0002469406470000041
优选地，通过链路S→Rk→D的能量效率为：
Figure BDA0002469406470000042
其中，ISkD为链路的信道容量，ESkD为系统消耗能量，具体为：
Figure BDA0002469406470000043
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明应用了门限和最大能量效率准则来实施中继选择，信源节点以功率Ps发送导频信号x，且目的节点和中继节点都可接收此信号，目的节点和中继节点根据接收到的信号估计接收信噪比，然后把估计结果反馈给信源节点，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转发到目的节点，其中，后者的中继节点采用HDAF传输协议，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；整个中继选择的过程，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，提高频谱利用率，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，本发明与现有的固定AF传输协议方案以及固定DF传输协议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，本发明与现有的固定AF传输协议方案以及固定DF传输协议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，本发明与现有的固定AF传输协议方案以及固定DF传输协议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HDAF中继系统的传输方法，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，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
Figure BDA0002469406470000051
内以功率Ps发送信号x，且目的节点(D)和中继节点(Rk)都可接收此信号，目的节点(D)和中继节点(Rk)接收到的信号分别为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 BDA0002469406470000052
hSD为信源节点到目的节点链路(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 BDA0002469406470000053
其中h1k为第一跳链路(S→Rk)的信道增益，nRk为中继节点(Rk)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)根据估计信道选择相应信息传输方式，此处忽略信道估计所需时间。
具体地，信源节点(S)根据估计接收信噪比选择相应信息传输方式的方法为：比较目的节点(D)处的接收信噪比(γSD)与门限
Figure BDA0002469406470000054
之间的大小：当
Figure BDA0002469406470000055
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
Figure BDA0002469406470000056
其中ISD为S→D链路的信道容量，ESD为信源端的能量消耗；当
Figure BDA0002469406470000057
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：
Figure BDA0002469406470000058
N0为噪声功率；
S→D链路的信道容量ISD＝log2(1+γsd)，此时整个系统的信源端的能量消耗
Figure BDA0002469406470000059
步骤3：信源节点(S)传输信号至中继节点(Rk)后，在(1-α)T内，中继节点(Rk)采集能量；在
Figure BDA00024694064700000510
内，中继节点(Rk)接收信号，记为ySRk，中继节点(Rk)通过混合解码-放大转发(HDAF)协议处理接收信号，比较所有中继节点(Rk)处的接收信噪比(γsk)与门限
Figure BDA0002469406470000061
之间的大小：若
Figure BDA0002469406470000062
中继节点(Rk)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)，目的节点(D)接收信号为yRkD，再分别计算出目的节点(D)对应的接收信噪比γrd，此时ISkD为S→Rk→D链路的信道容量；否则，当
Figure BDA0002469406470000063
时，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)，目的节点(D)接收信号为yRkD，目的节点(D)相应的接收信噪比为γskd，信道容量为ISkD；
其中，中继节点(Rk)处的接收信噪比具体为：
Figure BDA0002469406470000064
式中，N0为噪声nRk的功率；
当
Figure BDA0002469406470000065
时，目的节点(D)的接收信号
Figure BDA0002469406470000066
h2k为第二跳链路(Rk→D)的信道增益，接收信噪比
Figure BDA0002469406470000067
中继节点(Rk)的发射功率
Figure BDA0002469406470000068
ERk＝η(1-α)TPS表示中继节点(Rk)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，信道容量ISkD＝0.5log2(1+γkd)；
当
Figure BDA0002469406470000069
时，根据中继节点(Rk)接收信号ySRk，计算出中继节点(Rk)的固定放大倍数，具体为：
Figure BDA00024694064700000610
E(·)表示求均值，然后中继节点(Rk)将其接收信号ySRk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具体为：yRkD＝Gkh1kh2kx+Gkh2knRk+nD，h2k为第二跳链路(Rk→D)的信道增益，再根据目的节点的接收信号计算出目的节点的接收信噪比
Figure BDA00024694064700000611
其中
Figure BDA00024694064700000612
Figure BDA00024694064700000613
信道容量ISkD＝0.5log2(1+γskd)。
步骤4：根据信道容量计算通过S→Rk→D这一链路目的节点(D)的能量效率
Figure BDA0002469406470000071
其中ISkD为该链路的信道容量，ESkD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，保证系统通信的可靠性。
进一步地，系统的能量消耗具体为：
Figure BDA0002469406470000072
最终选择的中继节点k*满足以下关系
Figure BDA0002469406470000073
实施例
以下是本发明的中断概率、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
Figure BDA0002469406470000074
如图1所示，信源节点(S)以功率Ps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(Rk)都可接收此信号，分别为ySD和ySRk，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，然后把估计结果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和图5和图6分别是本发明在HDAF协议下，与现有的固定AF传输协议方案以及固定DF传输协议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。图中点线“˙˙˙”为K＝3的情况，黑色的实线“—”为K＝5的情况，标注符号“o”为固定AF方案，标注符号“*”为固定DF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，中断概率明显低于固定AF协议方案以及固定DF协议方案，能量效率和吞吐量明显高于固定AF协议方案以及固定DF协议方案。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＝5时，SNR＝2dB，本发明方案中的中断概率约为0.12，能量效率约为1.37，吞吐量约为1.72；固定DF协议方案下的中断概率约为0.50，能量效率为1.01，吞吐量约为1.29；而固定AF协议方案的中断概率约为0.80，能量效率约为0.96，吞吐量约为1.22。这表明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 (10)

1.一种适用于HDAF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
Figure FDA0002469406460000011
内以功率Ps发送信号x，目的节点(D)和中继节点(Rk)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(Rk)后，在(1-α)T内，中继节点(Rk)采集能量；在
Figure FDA0002469406460000012
内，中继节点(Rk)接收信号，中继节点(Rk)通过混合解码-放大转发协议处理接收信号，并将处理后的信号转发至目的节点(D)，确定信道容量；
步骤4：根据信道容量计算通过链路S→Rk→D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HDAF中继系统的传输方法，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公式为：
Figure FDA0002469406460000013
式中，hSD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HDAF中继系统的传输方法，其特征在于，中继节点(Rk)通过混合解码-放大转发协议处理接收信号的具体方法为：比较所有中继节点(Rk)处的接收信噪比与第二门限之间的大小：若有中继节点(Rk)处的接收信噪比小于第二门限，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(D)；否则，中继节点采用放大转发协议，将来自信源节点(S)的接收信号放大之后转发至目的节点(D)。
4.根据权利要求3所述的适用于HDAF中继系统的传输方法，其特征在于，中继节点(Rk)处的接收信噪比具体为：
Figure FDA0002469406460000021
其中，N0为噪声nRk的功率，h1k为第一跳链路(S→Rk)的信道增益。
5.根据权利要求3所述的适用于HDAF中继系统的传输方法，其特征在于，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(D)时，信道容量为：
ISkD＝0.5log2(1+γkd)，
式中，γkd为目的节点的接收信噪比。
6.根据权利要求5所述的适用于HDAF中继系统的传输方法，其特征在于，接收信噪比具体为：
Figure FDA0002469406460000022
式中，PRk为中继节点的发射功率，h2k为第二跳链路Rk→D的信道增益，N0为噪声功率。
7.根据权利要求3所述的适用于HDAF中继系统的传输方法，其特征在于，中继节点采用放大转发协议，将来自信源节点(S)的接收信号放大之后转发至目的节点(D)时，放大倍数为：
Figure FDA0002469406460000023
式中，PRk为中继节点的发射功率，h1k为第一跳链路(S→Rk)的信道增益，E(·)表示求均值，N0为噪声功率。
8.根据权利要求3所述的适用于HDAF中继系统的传输方法，其特征在于，中继节点采用放大转发协议，将来自信源节点(S)的接收信号放大之后转发至目的节点(D)时，信道容量为：
ISkD＝0.5log2(1+γskd)，
式中，γkd为目的节点的接收信噪比。
9.根据权利要求8所述的适用于HDAF中继系统的传输方法，其特征在于，目的节点的接收信噪比具体为：
Figure FDA0002469406460000031
其中，
Figure FDA0002469406460000032
10.根据权利要求1所述的适用于HDAF中继系统的传输方法，其特征在于，通过链路S→Rk→D的能量效率为：
Figure FDA0002469406460000033
其中，ISkD为链路的信道容量，ESkD为系统消耗能量，具体为：
Figure FDA0002469406460000034
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