CN111988802A - 基于ps策略的swipt双向传输中继系统中允许延时传输方法 - Google Patents

基于ps策略的swipt双向传输中继系统中允许延时传输方法 Download PDF

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CN111988802A CN202010882193.3A CN202010882193A CN111988802A CN 111988802 A CN111988802 A CN 111988802A CN 202010882193 A CN202010882193 A CN 202010882193A CN 111988802 A CN111988802 A CN 111988802A
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Abstract

本发明公开了基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中允许延时传输方法，信能同传(SWIPT)双向传输中继系统包括两个有源的源节点和一个无源的中继节点。中继节点具有射频能量收集能力，并且采用功率分割(PS)策略。整个通信信道为准静态瑞利衰减信道。SWIPT双向传输中继系统采用允许延时中继(TDR)策略，TDR策略是指不要求接收端节点与发送端节点进行严格的时间同步。通过理论推导，得到实际最大吞吐量与功率分割系数之间的函数关系。以实际最大吞吐量的最优为目标建立优化问题，采用最优化算法，得到最优的功率分割系数和最优的实际最大吞吐量。

Description

基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中允许延时传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中允许延时传输方法。
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。射频信号信息和能量同时传输的技术被称为信能同传技术，也被称为SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer)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。
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。
SWIPT技术可以有效提升网络的频谱利用率、减小延迟、降低功耗，因此，不少学者考虑将SWIPT技术应用于中继通信系统。单向中继传输过程中，可以增加网络传输的距离，但是需要以耗费更多的时间资源作为代价，双向中继传输方式就可以很好地解决这个弊端。现有的SWIPT双向传输系统中大部分对最大吞吐量的研究都是偏向于理想化，本发明公开了基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中允许延时传输方法，其中，无源中继采用PS接收策略。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中允许延时传输方法。本发明考虑基于功率分割(PS)策略的SWIPT双向传输中继系统，其中，两个源节点为有源，中继节点为无源，结构框图在图1中给出。
如图1所示，两个有源的源节点相互传输信息，但是两个源节点之间不能直接进行通信，信号必须经过中间的无源、但是具有射频能量收集能力的中继节点才能到达另一个源节点。因此，中继节点在整个通信过程中不仅需要对两边的源节点发出的信息进行转发，还要从其中的一个源节点所发射的射频信号中获取能量，来保证整个通信系统的正常运行。整个通信系统采用允许延时中继(TDR)策略。TDR策略是指不要求接收端节点与发送端节点进行严格的时间同步，即发送速率和接收速率不要求相等。对于中继节点两侧分别链接两个源节点的两个信道，在TDR策略下只需要考虑一侧的信道条件，只要单侧的信道增益达到通信要求，就可以进行单侧的信息传输，不需要考虑另一侧的信道条件。例如，上行链路(由两个源节点向中继节点发送信息的链路)信道条件满足通信，那么发送端就向中继节点发送信息；若下行链路(中继节点向两个源节点转发信息的链路)不满足通信条件，中继节点不会转发收到的信息，但继续接收发送端发出的信息，等到下行链路满足通信条件之后，中继节点再将已经接收的信息按照顺序转发给接收端。因此，可以通过传输速率等于遍历容量的速率来实现遍历容量，按照各自的信道增益计算出接收端的遍历容量，从而确定实际最大吞吐量。
如图1所示，在基于PS策略的SWIPT双向传输中继模型中，包括两个有源的源节点U1、U2和一个能源受限的中继节点
Figure BSA0000217970360000021
h表示源节点U1与中继节点
Figure BSA0000217970360000022
之间的信道增益，g表示源节点U2与中继节点
Figure BSA0000217970360000023
之间的信道增益，P1表示源节点U1的发射功率，P2表示源节点U2的发射功率。ρ表示在中继节点收集能量的功率分割系数，ρ∈[0，1]，无源的中继节点以
Figure BSA0000217970360000024
的比例将接收的电磁波信号分别送入能量收集模块(EH)和信息处理模块(IT)，即分别用于获取所需能量和接收信息。
此模型满足以下条件：(1)整个通信信道为准静态瑞利衰减信道。源节点U1与中继节点
Figure BSA0000217970360000031
之间的信道增益概率密度函数为
Figure BSA0000217970360000032
源节点U2与中继节点
Figure BSA0000217970360000033
之间的信道增益概率密度函数为
Figure BSA0000217970360000034
其中，λh和λg分别为两个信道增益的指数随机变量的均值；相应地，两条信道增益的概率分布函数分别为
Figure BSA0000217970360000035
和
Figure BSA0000217970360000036
(2)中继节点选择放大-转发(AF)策略；(3)忽略中继节点对信号处理所消耗的功率，当传输距离足够大、且将收集的能量作为消耗的主要来源时，这种忽略是合理的；(4)中继节点中设置一个无限容量的能源储存装置；(5)两个源节点分别与中继节点之间的信道增益的大小关系是已知的(例如，通过两个源节点同时向中继发送一个检测信号)，因此中继节点可以判断出从哪一个源节点获取能量可以使能量收集效率以及通信效率更高。为了表述本专利，中继节点从源节点U1收集能量。
图2为基于PS策略的中继节点内部结构，nA表示在接收信号时天线所产生的噪声，nA是圆对称复高斯随机变量，即
Figure BSA0000217970360000037
表示nA(t)服从复高斯分布，均值为0，方差为
Figure BSA0000217970360000038
nB表示信息处理时引入的噪声，且有
Figure BSA0000217970360000039
定义
Figure BSA00002179703600000310
能量收集效率因子记为η。
nd表示来自源节点的天线以及转换模块产生的噪声，且有
Figure BSA00002179703600000311
中继节点收集能量和传输信息的时间分配关系如图3所示，T表示一段完整的时间块，中继节点利用T/2时间收集能量和接收两个源节点发来的信息，然后再利用T/2时间将接收的信息分别转发到另一端的源节点，从而完成通信。因此，基于PS的TDR策略(简称PS-TDR)的通信过程可以分为三个部分：中继节点获取能量部分；中继节点接收信息部分(信息上行部分)；中继节点转发信息部分(信息下行部分)。
源节点U1向中继节点
Figure BSA00002179703600000411
传输信息，再由中继节点
Figure BSA00002179703600000412
转发到源节点U2的通信过程称为链路L1；同理，源节点U2向中继节点
Figure BSA00002179703600000413
传输信息，再由中继节点
Figure BSA00002179703600000414
转发到源节点U1的通信过程称为链路L2。
通过理论推导可以得到链路L1的接收端的遍历容量C1为
Figure BSA0000217970360000041
式中，
Figure BSA0000217970360000042
是链路L1的信噪比概率密度函数，其表达式为
Figure BSA0000217970360000043
式中，
Figure BSA0000217970360000044
链路L2的接收端的遍历容量C2为
Figure BSA0000217970360000045
式中，
Figure BSA0000217970360000046
是链路L2的信噪比概率密度函数，其表达式为
Figure BSA0000217970360000047
式中，
Figure BSA0000217970360000048
Figure BSA0000217970360000049
实际最大吞吐量的表达式为
Figure BSA00002179703600000410
以实际最大吞吐量的最优为目标建立优化问题P：
Figure BSA0000217970360000051
s.t.0≤ρ≤1
在λh、λg、η、P1、P2、
Figure BSA0000217970360000052
和
Figure BSA0000217970360000053
给定的情况下，采用最优化算法，例如黄金分割法，得到最优的功率分割系数和最优的实际最大吞吐量。将最优的实际最大吞吐量记为τ*；将最优的实际最大吞吐量所对应的功率分割系数，定义为最优的功率分割系数，记为ρ*。
附图说明：
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统模型；
图2是本发明提供的基于PS策略的中继节点内部结构；
图3是本发明提供的基于PS策略的中继节点收集能量和传输信息的时间分配关系；
图4是实际最大吞吐量τ与功率分割系数ρ的关系；
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的主旨是提出基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中允许延时传输方法，使得系统获得最优的实际最大吞吐量。两个源节点为有源，中继节点为无源，结构框图在图1中给出。其中，无源中继采用PS接收策略。
如图1所示，两个有源的源节点相互传输信息，但是两个源节点之间不能直接进行通信，信号必须经过中间的无源、但是具有射频能量收集能力的中继节点才能到达另一个源节点。因此，中继节点在整个通信过程中不仅需要对两边的源节点发出的信息进行转发，还要从其中的一个源节点所发射的射频信号中获取能量，来保证整个通信系统的正常运行。整个通信系统采用允许延时中继(TDR)策略。TDR策略是指不要求接收端节点与发送端节点进行严格的时间同步，即发送速率和接收速率不要求相等。对于中继节点两侧分别链接两个源节点的两个信道，在TDR策略下只需要考虑一侧的信道条件，只要单侧的信道增益达到通信要求，就可以进行单侧的信息传输，不需要考虑另一侧的信道条件。例如，上行链路(由两个源节点向中继节点发送信息的链路)信道条件满足通信，那么发送端就向中继节点发送信息；若下行链路(中继节点向两个源节点转发信息的链路)不满足通信条件，中继节点不会转发收到的信息，但继续接收发送端发出的信息，等到下行链路满足通信条件之后，中继节点再将已经接收的信息按照顺序转发给接收端。因此，可以通过传输速率等于遍历容量的速率来实现遍历容量，按照各自的信道增益计算出接收端的遍历容量，从而确定实际最大吞吐量。
如图1所示，在基于PS策略的SWIPT双向传输中继模型中，包括两个有源的源节点U1、U2和一个能源受限的中继节点
Figure BSA0000217970360000061
h表示源节点U1与中继节点
Figure BSA0000217970360000062
之间的信道增益，g表示源节点U2与中继节点
Figure BSA0000217970360000063
之间的信道增益，P1表示源节点U1的发射功率，P2表示源节点U2的发射功率。ρ表示在中继节点收集能量的功率分割系数，ρ∈[0，1]，无源的中继节点以
Figure BSA0000217970360000064
的比例将接收的电磁波信号分别送入能量收集模块(EH)和信息处理模块(IT)，即分别用于获取所需能量和接收信息。
此模型满足以下条件：(1)整个通信信道为准静态瑞利衰减信道。源节点U1与中继节点
Figure BSA0000217970360000071
之间的信道增益概率密度函数为
Figure BSA0000217970360000072
源节点U2与中继节点
Figure BSA0000217970360000073
之间的信道增益概率密度函数为
Figure BSA0000217970360000074
其中，λh和λg分别为两个信道增益的指数随机变量的均值；相应地，两条信道增益的概率分布函数分别为
Figure BSA0000217970360000075
和
Figure BSA0000217970360000076
(2)中继节点选择放大-转发(AF)策略；(3)忽略中继节点对信号处理所消耗的功率，当传输距离足够大、且将收集的能量作为消耗的主要来源时，这种忽略是合理的；(4)中继节点中设置一个无限容量的能源储存装置；(5)两个源节点分别与中继节点之间的信道增益的大小关系是已知的(例如，通过两个源节点同时向中继发送一个检测信号)，因此中继节点可以判断出从哪一个源节点获取能量可以使能量收集效率以及通信效率更高。为了表述本专利，中继节点从源节点U1收集能量。
图2为基于PS策略的中继节点内部结构，nA表示在接收信号时天线所产生的噪声，nA是圆对称复高斯随机变量，即
Figure BSA0000217970360000077
表示nA(t)服从复高斯分布，均值为0，方差为
Figure BSA0000217970360000078
yr，i(t)表示接收源节点发出的信号后、被分配到信息处理模块的信号，其中，下标i＝1或2表示源节点序号，即yr1(t)表示接收源节点U1发出的信号后、被分配到信息处理模块的信号，yr2(t)表示接收源节点U2发出的信号后、被分配到信息处理模块的信号。nB表示信息处理时引入的噪声，且有
Figure BSA0000217970360000079
定义
Figure BSA00002179703600000710
yr(t)表示中继节点接收两个源节点发送的信号、并经过基带信号处理后的信号。sr，i(t)表示中继节点放大转发的信号，其中，下标i＝1或2表示源节点序号，即sr1(t)表示中继节点放大来自源节点U1的信号、并向源节点U2转发的信号，sr2(t)表示中继节点放大来自源节点U2的信号、并向源节点U1转发的信号。
中继节点收集能量和传输信息的时间分配关系如图3所示，T表示一段完整的时间块，中继节点利用T/2时间收集能量和接收两个源节点发来的信息，然后再利用T/2时间将接收的信息分别转发到另一端的源节点，从而完成通信。因此，基于PS的TDR策略(简称PS-TDR)的通信过程可以分为三个部分：中继节点获取能量部分；中继节点接收信息部分(信息上行部分)；中继节点转发信息部分(信息下行部分)。
为了下面的公式推导以及介绍的方便，源节点U1向中继节点
Figure BSA0000217970360000081
传输信息，再由中继节点
Figure BSA0000217970360000089
转发到源节点U2的通信过程称为链路L1；同理，源节点U2向中继节点
Figure BSA0000217970360000082
传输信息，再由中继节点
Figure BSA0000217970360000083
转发到源节点U1的通信过程称为链路L2。
根据上面的介绍，在PS-TDR策略下的实际最大吞吐量表达式可以表示为
Figure BSA0000217970360000084
式中，C1和C2分别表示链路L1和L2的遍历容量，t为整个通信系统有效传输信息时间，在PS-TDR策略下，t＝T/2。为了推导得到实际最大吞吐量与功率分割系数ρ之间的关系，因此需要将遍历容量用功率分割系数ρ表示出来。
链路Li(其中，下标i＝1或2表示链路序号)的接收端的遍历容量Ci可以表示为
Figure BSA0000217970360000085
式中，
Figure BSA0000217970360000086
是依赖于随机信道增益h和g的期望，
Figure BSA0000217970360000087
表示链路Li的接收端源节点所接收信号的信噪比，
Figure BSA0000217970360000088
表示链路Li的信噪比概率密度函数。根据概率密度函数的定义，可得
Figure BSA0000217970360000091
式中，
Figure BSA0000217970360000092
表示链路Li的信噪比概率分布函数。
为了探究实际最大吞吐量与功率分割系数ρ的关系，整个通信系统的分析将分为三个部分依次介绍。
(1)中继节点获取能量部分
中继节点可以通过接收两个源节点发送的检测信号来获取两条信道的信道状态信息(CSI)，中继节点就可以判断哪个信道条件更好，从而利用更好信道条件的信道获取能量。在本实施例中，中继节点总是从源节点U1获取能量。
在链路L1中，中继节点接收源节点U1发出的信号后、被分配到信息处理模块的信号yr1(t)可以表示为
Figure BSA0000217970360000093
式中，x1(t)表示从源节点U1发送的信号，并且有E[|x1(t)|2]＝1，其中E[·]表示取期望，|·|表示取模值。中继节点接收天线产生的噪声nA，1(t)是圆对称复高斯随机变量，即
Figure BSA0000217970360000094
表示nA，1(t)服从复高斯分布，均值为0，方差为σA，1 2。中继节点收集的能量Eh可以表示为
Figure BSA0000217970360000095
式中，η是能量收集效率因子，η∈[0，1]。中继节点完成转发信息所需要的能量Ec可以表示为
Figure BSA0000217970360000096
式中，PR表示中继节点向两个源节点转发信息所需的放大转发功率。如果功率分割系数ρ增大，收集的能量增多，但是收集的有效信号的信噪比减小；如果ρ减小，收集的能量不足以支撑全部信号的转发；这两种情况都将导致整个通信系统传输效率的下降。为了得到最优的功率分割系数，使得整个通信系统传输效率达到最优值，要求收集的能量全部用于中继节点转发有效信息，即
Eh＝Ec (7)
将式(5)、式(6)代入式(7)中，可以得到放大转发功率PR与功率分割系数ρ的关系为
PR＝ηρP1|h|2 (8)
(2)中继节点接收信息部分(信息上行部分)
与式(4)原理相同，在链路L2中，中继节点接收源节点U2发出的信号后、被分配到信息处理模块的信号yr2(t)可以表示为
Figure BSA0000217970360000101
式中，x2(t)表示源节点U2发送的信号，且有E[|x2(t)|2]＝1，nA，2(t)是由于中继节点的接收天线产生的圆对称复高斯随机变量，且有
Figure BSA0000217970360000102
根据式(4)和式(9)可知，中继节点接收两个源节点发送的信号、并经过基带信号处理后的信号yr(t)可以表示为
Figure BSA0000217970360000103
式中，nA(t)是中继节点的接收天线产生的总噪声，
Figure BSA0000217970360000104
Figure BSA0000217970360000105
nB(t)表示中继节点对接收的信号进行信号处理时产生的噪声，且有
Figure BSA0000217970360000106
(3)中继节点转发信息部分(信息下行部分)
将链路L1与链路L2分别进行分析，最后进行整合。
①链路L1
在链路L1中，中继节点放大接收源节点U1发出的信号、并向源节点U2转发的信号sr1(t)可以表示为
Figure BSA0000217970360000111
式中，
Figure BSA0000217970360000112
源节点U2所接收的信号yd1(t)为
yd1(t)＝gsr1(t)+nd(t) (12)
式中，nd是来自源节点的天线以及转换模块产生的噪声，且有
Figure BSA0000217970360000113
将式(10)和式(11)依次代入式(12)中，可以获得源节点U2所接收信号的整体表达式为
Figure BSA0000217970360000114
式中，
Figure BSA0000217970360000115
由于自干扰消除，式(13)中的x2(t)项被消除，经过消除后的源节点U2所接收信号的表达式为
Figure BSA0000217970360000116
由式(14)以及信噪比公式可以得到链路L1上的源节点U2所接收信号的信噪比
Figure BSA0000217970360000117
表达式为
Figure BSA0000217970360000118
由概率分布函数定义，可得链路L1的信噪比概率分布函数的定义式为
Figure BSA0000217970360000121
将式(15)代入式(16)中，并利用式(8)，可得链路L1的信噪比概率分布函数为
Figure BSA0000217970360000122
式中，为了方便表示，进行了如下简化：
Figure BSA0000217970360000123
Figure BSA0000217970360000124
因为在式(17)中|g|2的系数正负没有确定，需要按照a1|h|4和b1γ|h|2的大小关系进行分类讨论，可得
Figure BSA0000217970360000125
在式(18)中，当|h|2＜b1γ/a1时，不等式左侧平方项(|g|2)一定是大于零，而不等式右侧的分子(c1γ|h|2+d1γ)大于零，根据分段函数的边界值可知分母(a1|h|4-b1γ|h|2)小于零，那么不等式右侧一定小于零，所以不等式恒成立，所以它的概率为1。
由于信道条件为准静态瑞利衰减信道，源节点U1与中继节点
Figure BSA0000217970360000126
之间的信道增益概率密度函数为
Figure BSA0000217970360000131
源节点U2与中继节点
Figure BSA0000217970360000132
之间的信道增益概率密度函数为
Figure BSA0000217970360000133
式中，λh、λg分别为两个信道增益的指数随机变量的均值。相应地，两条信道增益的概率分布函数分别为
Fh(z)＝p(|h|2＜z)＝1-exp(-z/λh) (21)
Fg(z)＝p(|g|2＜z)＝1-exp(-z/λg) (22)
将式(19)至式(22)代入式(18)的分段函数中，可以得到
Figure BSA0000217970360000134
的关于独立变量z的积分表达式为
Figure BSA0000217970360000135
对
Figure BSA0000217970360000136
关于γ求偏导，得到链路L1的信噪比概率密度函数
Figure BSA0000217970360000137
其表示式为
Figure BSA0000217970360000138
将式(24)代入计算遍历容量的式(2)中，可得链路L1的接收端的遍历容量C1，为
Figure BSA0000217970360000139
②链路L2
链路L2的分析过程与链路L1基本相同，在链路L2中，中继节点放大来自源节点U2的信号、并向源节点U1转发的信号sr2(t)可以表示为
Figure BSA0000217970360000141
源节点U1所接收的信号yd2(t)为
yd2(t)＝hsr2(t)+nd(t) (27)
将式(10)和式(26)依次代入式(27)中，由于自干扰消除，源节点U1所接收的信号yd2(t)为
Figure BSA0000217970360000142
那么，链路L2上的源节点U1所接收信号的信噪比
Figure BSA0000217970360000143
为
Figure BSA0000217970360000144
链路L2的信噪比概率分布函数为
Figure BSA0000217970360000145
式中，
Figure BSA0000217970360000146
在式(30)中|h|4的系数正负没有确定，需要按照a2|g|2和b2γ的大小关系进行分类讨论，可得
Figure BSA0000217970360000151
在式(31)中，当|g|2＜b2γ/a2时，不等式左侧4次方项(|h|4)一定是大于零，而不等式右侧的分子(c2γ|g|2+d2γ)大于零，根据分段函数的边界值可知分母(a2|g|2-b2γ)小于零，那么不等式右侧一定小于零，所以不等式恒成立，所以它的概率为1。
将式(19)至式(22)代入式(31)的分段函数中，可以得到
Figure BSA0000217970360000152
的关于独立变量z的积分表达式为
Figure BSA0000217970360000153
对
Figure BSA0000217970360000154
关于γ求偏导，可计算得到链路L2的信噪比概率密度函数
Figure BSA0000217970360000155
其表达式为
Figure BSA0000217970360000156
式中，
Figure BSA0000217970360000157
将式(33)代入计算遍历容量的式(2)中，可得链路L2的接收端的遍历容量C2，为
Figure BSA0000217970360000158
推导出在PS-TDR策略下的链路L1、链路L2的遍历容量C1、C2关于功率分割系数ρ的函数式之后，将它们代入式(1)中，即可得到实际最大吞吐量τ关于功率分割系数ρ的表达式。
以实际最大吞吐量的最优为目标建立优化问题P：
Figure BSA0000217970360000161
在λh、λg、η、P1、P2、
Figure BSA0000217970360000162
和
Figure BSA0000217970360000163
给定的情况下，采用最优化算法，例如黄金分割法，得到最优的功率分割系数和最优的实际最大吞吐量。将最优的实际最大吞吐量记为τ*；将最优的实际最大吞吐量所对应的功率分割系数，定义为最优的功率分割系数，记为ρ*。
当采用黄金分割法对式(35)的优化问题P进行求解，求出最优的功率分割系数ρ*和最优的实际最大吞吐量τ*，其步骤为：
第1步：给定初始化ρ的取值区间[a，b]和精度e；
第2步：求解区间黄金分割点a1＝a+(1-0.618)(b-a)，a2＝a+0.618×(b-a)；
第3步：分别求解a1和a2所对应的实际最大吞吐量τ(a1)和τ(a2)；如果实际最大吞吐量τ(a1)＜τ(a2)，跳到第4步，否则跳到第5步；
第4步：如果a2-a1＜e，停止迭代，输出最优解ρ*＝a2，输出最优的实际最大吞吐量τ*＝τ(a2)；否则，令a＝a1，a1＝a2，a2＝a+0.618×(b-a)，跳到第3步；
第5步：如果a2-a1＜e，停止迭代，输出最优解ρ*＝a2，输出最优的实际最大吞吐量τ*＝τ(a2)；否则，今b＝a2，a2＝a1，a1＝a+(1-0.618)(b-a)，跳到第3步。
下面结合具体实验仿真对本发明所提供的技术方案做进一步说明。
本发明对基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中允许延时传输方法进行仿真验证，使用参数设置如下：能量收集效率因子η＝1，两个源节点发射功率P1＝P2＝1，信道增益指数随机变量h和g的均值λh和λg分别设为1，中继节点接收信息时产生的噪声功率
Figure BSA0000217970360000171
和源节点接收信息时产生的噪声功率
Figure BSA0000217970360000172
都设置为0.01。
参见附图4，当ρ*＝0.47时，得到最优的实际最大吞吐量τ*＝4.2401。根据仿真图可以得出结论，当ρ偏小时或者偏大时，实际最大吞吐量都小于最优的实际最大吞吐量。
综上所述，本发明公开了基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中允许延时传输方法，使得系统获得最优的实际最大吞吐量。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (1)

1.基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中允许延时传输方法，其特征在于，包括：
信能同传(SWIPT)双向传输中继系统包括两个有源的源节点U1、U2和一个无源的中继节点
Figure FSA0000217970350000011
中继节点具有射频能量收集能力，并且采用功率分割(PS)策略；两个源节点之间不能直接进行通信，信号必须经过中间的中继节点才能到达另一个源节点；源节点U1与中继节点
Figure FSA0000217970350000012
之间的信道增益为h，源节点U2与中继节点
Figure FSA0000217970350000013
之间的信道增益为g；源节点U1的发射功率为P1，源节点U2的发射功率为P2；中继节点收集能量的功率分割系数为ρ，ρ∈[0，1]，即无源的中继节点以
Figure FSA0000217970350000014
的比例将接收的电磁波信号分别用于获取所需能量和接收信息；
SWIPT双向传输中继系统采用允许延时中继(TDR)策略，TDR策略是指不要求接收端节点与发送端节点进行严格的时间同步，即发送速率和接收速率不要求相等；对于中继节点两侧分别链接两个源节点的两个信道，在TDR策略下只需要考虑一侧的信道条件，只要单侧的信道增益达到通信要求，就可以进行单侧的信息传输，不需要考虑另一侧的信道条件；因此，可以通过传输速率等于遍历容量的速率来实现遍历容量，按照各自的信道增益计算出接收端的遍历容量，从而确定实际最大吞吐量；
SWIPT双向传输中继系统满足以下条件：(1)整个通信信道为准静态瑞利衰减信道：源节点U1与中继节点
Figure FSA0000217970350000015
之间的信道增益概率密度函数为
Figure FSA0000217970350000016
源节点U2与中继节点
Figure FSA0000217970350000017
之间的信道增益概率密度函数为
Figure FSA0000217970350000018
其中，λh和λg分别为两个信道增益的指数随机变量的均值；相应地，两条信道增益的概率分布函数分别为
Figure FSA0000217970350000019
和
Figure FSA00002179703500000110
(2)中继节点选择放大-转发(AF)策略；(3)忽略中继节点对信号处理所消耗的功率，当传输距离足够大、且将收集的能量作为消耗的主要来源时，这种忽略是合理的；(4)中继节点中设置一个无限容量的能源储存装置；(5)两个源节点分别与中继节点之间的信道增益的大小关系是已知的(例如，通过两个源节点同时向中继发送一个检测信号)，因此中继节点可以判断出从哪一个源节点获取能量可以使能量收集效率以及通信效率更高；为了表述本专利，中继节点从源节点U1收集能量；
在中继节点内部结构中，nA表示在接收信号时天线所产生的噪声，nA是圆对称复高斯随机变量，即
Figure FSA0000217970350000021
表示nA(t)服从复高斯分布，均值为0，方差为
Figure FSA0000217970350000022
nB表示信息处理时引入的噪声，且有
Figure FSA0000217970350000023
定义
Figure FSA0000217970350000024
能量收集效率因子记为η；
nd表示来自源节点的天线以及转换模块产生的噪声，且有
Figure FSA0000217970350000025
在一段完整的时间块T，中继节点利用T/2时间收集能量和接收两个源节点发来的信息，然后再利用T/2时间将接收的信息分别转发到另一端的源节点，从而完成通信；因此，基于PS的TDR策略的通信过程可以分为三个部分：中继节点获取能量部分；中继节点接收信息部分(信息上行部分)；中继节点转发信息部分(信息下行部分)；
源节点U1向中继节点
Figure FSA0000217970350000026
传输信息，再由中继节点
Figure FSA0000217970350000027
转发到源节点U2的通信过程称为链路L1；同理，源节点U2向中继节点
Figure FSA0000217970350000028
传输信息，再由中继节点
Figure FSA0000217970350000029
转发到源节点U1的通信过程称为链路L2；
链路L1的接收端的遍历容量C1为
Figure FSA00002179703500000210
式中，
Figure FSA00002179703500000211
是链路L1的信噪比概率密度函数，其表达式为
Figure FSA0000217970350000031
式中，
Figure FSA0000217970350000032
链路L2的接收端的遍历容量C2为
Figure FSA0000217970350000033
式中，
Figure FSA0000217970350000034
是链路L2的信噪比概率密度函数，其表达式为
Figure FSA0000217970350000035
式中，
Figure FSA0000217970350000036
Figure FSA0000217970350000037
实际最大吞吐量的表达式为
Figure FSA0000217970350000038
以实际最大吞吐量的最优为目标建立优化问题P：
Figure FSA0000217970350000039
s.t. 0≤ρ≤1
在λh、λg、η、P1、P2、
Figure FSA00002179703500000310
和
Figure FSA00002179703500000311
等参数给定的情况下，采用最优化算法，得到最优的功率分割系数和最优的实际最大吞吐量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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