CN114980335B - 无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法 - Google Patents

无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法 Download PDF

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Abstract

一种无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法，由构建传输信号模型、确定传输时隙内的功率分配系数、确定传输时隙内的时隙分配系数、建立中继集合、选择最优中继、确定中断概率和分集阶数步骤组成。由于本发明采用了全双工协作中继系统，建立了合理的传输信号模型，提出了信息传输方法，用有限的频谱资源，提高了该系统的中断性能和分集增益随着中继数量的增加，系统中断性能更好。本发明具有传输方法简单、易于实现、中断性能好等优点。

Description

无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法
技术领域
本发明属于携能通信技术领域，具体涉及到无线能量收集全双工多中继系统的信息传输。
背景技术
无线能量收集是指通过无线能量传输进行能量收集的技术，近年来，基于能量收集的无线能量传输技术被认为是延长能量受限、无线网络寿命的有效解决方案。不同于传统的能量收集技术，无线能量传输可以从射频信号中获得稳定的能量供给，同时满足信息传输，以满足无线网络的各种需求。为了实现信息和能量的同时传输，早期考虑了半双工模式，中继采用时隙切换和功率分割两种方法，半双工操作方法导致频谱利用率低。全双工技术允许发送和接收数据同时进行，相比于半双工技术，可以明显的提高频谱效率。全双工技术存在一个问题，容易受自传信号的强干扰，需要花费大量能量对自干扰信号进行消除或者抑制。
无线协作通信已被证明是扩展传输范围的有效解决方案，可以在源节点和目的节点之间配置一个或多个中继。在中继的帮助下，网络覆盖范围可以扩大，小区容量也可以增加。
由于在中继的协作网络中可以组合来自不同中继的多个独立衰落信号，因此可以提高自由度的性能。通常，中继越多，自由度性能越好。以便于保证信道容量和链路可靠性。目前，人们致力于研究能量收集网络中的中继选择和资源优化分配问题，虽然已经提出了一些优秀的资源分配和中继选择策略，但在支持无线协能通信全双工协作中资源分配和中继选择的联合优化以最小化中断概率的问题尚未得到研究。
在全双工协作多中继系统技术领域，当前需迫切解决的一个技术问题是提供一种无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提出一种传输方法简单、易于实现、中断性能好的无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是由下述步骤组成：
(1)构建传输信号模型
全双工多中继系统由1个信源节点S、N个全双工中继节点Ri、i∈{1,2,...,N}，1个目标节点D连接构成，N为有限的正整数，在信源节点和目标节点上设置有单个天线，每个全双工中继节点上设置有1根发送天线和1根接收天线，构建成传输信号模型。
(2)确定传输时隙内的功率分配系数
按式(1)确定传输时隙内的功率分配系数βi：
Figure BDA0003656161290000021
其中
Figure BDA0003656161290000022
是信源节点S到各个全双工中继节点Ri的信道系数，γth是门限信噪比，αi是每一个中继传输时隙内的第一时隙每一传输周期的时隙分配系数，
Figure BDA0003656161290000023
全双工中继节点Ri处加性高斯白噪声的方差，
Figure BDA0003656161290000024
是信源节点S到各个全双工中继节点Ri的距离，θ是路径损耗指数，ps是每一个传输周期信源节点的发射功率。
(3)确定传输时隙内的时隙分配系数
按式(2)确定传输时隙内的时隙分配系数αi：
Figure BDA0003656161290000025
其中，
Figure BDA0003656161290000026
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的信道系数，η是转换效率，
Figure BDA0003656161290000027
是目标节点D处加性高斯白噪声的方差，
Figure BDA0003656161290000028
是自干扰信道系数，
Figure BDA0003656161290000029
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的距离，αi表示第一时隙分配系数，1-αi表示第二时隙分配系数。
(4)建立中继集合
按式(3)建立不发生传输中断的中继集合K：
Figure BDA00036561612900000210
(5)选择最优中继
按式(4)不发生传输中断的中继集合K中选择最优中继
Figure BDA00036561612900000211
Figure BDA0003656161290000031
Figure BDA0003656161290000032
Figure BDA0003656161290000033
其中，
Figure BDA0003656161290000034
是中继节点Ri到目的节点D的传输信噪比，Ri∈K。
(6)确定中断概率和分集阶数
按式(7)确定系统的中断概率Pout：
Figure BDA0003656161290000035
其中，
Figure BDA0003656161290000036
是第一时隙目标节点接收信噪比，Rth是门限速率，|K|是不发生传输中断的中继集合K的绝对值。
按式(8)确定分集阶数d：
Figure BDA0003656161290000037
分析随信噪比变化中断概率Pout变化的情况、中继数量N变化中断概率Pout的变化情况；中断概率Pout越小，系统中断性能越好；计算得出分集阶数d等于中继数量N，中继数量N越大，中断性能越好，分集增益越好。
在本发明的(2)确定传输时隙内的功率分配系数中，所述的
Figure BDA0003656161290000038
是信源节点到各个全双工中继节点的信道系数，
Figure BDA0003656161290000039
为零均值和单位方差的复高斯分布。
在本发明的(2)、(3)步骤中，所述的θ是路径损耗指数，θ取值为2～5。
在本发明的(3)确定传输时隙内的时隙分配系数中，按式(2)确定传输时隙内的时隙分配系数αi：
Figure BDA00036561612900000310
其中，
Figure BDA00036561612900000311
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的信道系数，η是转换效率，η取值为(0,1)，
Figure BDA00036561612900000312
是目标节点D处加性高斯白噪声的方差，
Figure BDA00036561612900000313
是自干扰信道系数，
Figure BDA00036561612900000314
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的距离，αi表示第一时隙分配系数，1-αi表示第二时隙分配系数。
在本发明的(3)确定传输时隙内的时隙分配系数中，所述的
Figure BDA0003656161290000041
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的信道系数，
Figure BDA0003656161290000042
为零均值和单位方差的复高斯分布。
在本发明的(6)确定中断概率和分集阶数步骤中，所述的发生中断的情况包括：不发生传输中断的中继集合K为空集、不发生传输中断的集合K中选择最优中继速率小于门限速率；在式(7)中，Rth取值范围为(0,1)bit/s/Hz。
由于本发明采用全双工协作中继系统，建立了合理的传输信号模型，提出了一种信息传输方法，利用有限的频谱资源，提高了该系统的中断性能和分集增益，与现有技术相比，在全双工中继节点Ri的数量N为4、每一个传输周期的信噪比为5dB～26dB时，系统中断概率降低了0.1015～0.262997。随着中继数量的增加，系统中断性能更好。本发明具有传输方法简单、易于实现、中断性能好等优点，可用于携能通信技术领域。
附图说明
图1是本发明实施例1的工艺流程图。
图2是本发明实施例1的仿真曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于下述的实施例。
实施例1
在图1中，本实施例的无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法由下述步骤组成：
(1)构建传输信号模型
全双工多中继系统由1个信源节点S、N个全双工中继节点Ri、i∈{1,2,...,N}，1个目标节点D连接构成，N为有限的正整数，本实施例的N取值为4，在信源节点和目标节点上设置有单个天线，每个全双工中继节点上设置有1根发送天线和1根接收天线，构建成传输信号模型。
(2)确定传输时隙内的功率分配系数
按式(1)确定传输时隙内的功率分配系数βi：
Figure BDA0003656161290000051
其中
Figure BDA0003656161290000052
是信源节点S到各个全双工中继节点Ri的信道系数，
Figure BDA0003656161290000053
为零均值和单位方差的复高斯分布，γth是门限信噪比，αi是每一个中继的每一传输周期的时隙分配系数，且0＜αi＜1
Figure BDA0003656161290000054
全双工中继节点Ri处加性高斯白噪声的方差，
Figure BDA0003656161290000055
是信源节点S到各个全双工中继节点Ri的距离，θ是路径损耗指数，θ取值为2～5，本实施例的θ取值为2.7，ps是每一个传输周期信源节点的发射功率。
(3)确定传输时隙内的时隙分配系数
按式(2)确定传输时隙内的时隙分配系数αi：
Figure BDA0003656161290000056
其中，
Figure BDA0003656161290000057
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的信道系数，本实施例的
Figure BDA0003656161290000058
为零均值和单位方差的复高斯分布，η是转换效率，η取值范围为(0,1)，本实施例取值为0.5，
Figure BDA0003656161290000059
是目标节点D处加性高斯白噪声的方差。
Figure BDA00036561612900000510
是自干扰信道系数，
Figure BDA00036561612900000511
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的距离，αi表示第一时隙分配系数，1-αi表示第二时隙分配系数。
(4)建立中继集合
按式(3)建立不发生传输中断的中继集合K：
Figure BDA00036561612900000512
(5)选择最优中继
按式(4)从不发生传输中断的中继集合K中选择最优中继
Figure BDA00036561612900000513
Figure BDA00036561612900000514
Figure BDA0003656161290000061
Figure BDA0003656161290000062
其中，
Figure BDA0003656161290000063
是中继节点Ri到目的节点D的传输信噪比，Ri∈K。
(6)确定中断概率和分集阶数
中断的情况包括：不发生传输中断的中继集合K为空集、不发生传输中断的集合K中选择最优中继速率小于门限速率，按式(7)确定系统的中断概率Pout：
Figure BDA0003656161290000064
其中，
Figure BDA0003656161290000065
是第一时隙目标节点接收信噪比，Rth是门限速率，Rth取值为(0,1)bit/s/Hz，本实施例Rth取值为0.5bit/s/Hz，|K|是不发生传输中断的中继集合K的绝对值。
按式(8)确定分集阶数d：
Figure BDA0003656161290000066
分析随信噪比变化中断概率Pout变化的情况、中继数量N变化中断概率Pout的变化情况；中断概率Pout越小，系统中断性能越好；计算得出分集阶数d等于中继数量N，中继数量N越大，中断性能越好，分集增益越好。
完成无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法。
实施例2
本实施例的无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法由下述步骤组成：
(1)构建传输信号模型
该步骤与实施例1相同。
(2)确定传输时隙内的功率分配系数
按式(1)确定传输时隙内的功率分配系数βi：
Figure BDA0003656161290000071
其中
Figure BDA0003656161290000072
是信源节点S到各个全双工中继节点Ri的信道系数，
Figure BDA0003656161290000073
为零均值和单位方差的复高斯分布，γth是门限信噪比，αi是每一个中继的每一传输周期的时隙分配系数，且0＜αi＜1，
Figure BDA0003656161290000074
全双工中继节点Ri处加性高斯白噪声的方差，
Figure BDA0003656161290000075
是信源节点S到各个全双工中继节点Ri的距离，θ是路径损耗指数，θ取值为2～5，本实施例的θ取值为2，ps是每一个传输周期信源节点的发射功率。
(3)确定传输时隙内的时隙分配系数
按式(2)确定传输时隙内的时隙分配系数αi：
Figure BDA0003656161290000076
其中，
Figure BDA0003656161290000077
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的信道系数，本实施例的
Figure BDA0003656161290000078
为零均值和单位方差的复高斯分布，η是转换效率，η取值范围为(0,1)，本实施例的η取值为0.1，
Figure BDA0003656161290000079
是目标节点D处加性高斯白噪声的方差。
Figure BDA00036561612900000710
是自干扰信道系数，
Figure BDA00036561612900000711
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的距离，αi表示第一时隙分配系数，1-αi表示第二时隙分配系数。
(4)建立中继集合
该步骤与实施例1相同。
(5)选择最优中继
该步骤与实施例1相同。
(6)确定中断概率和分集阶数
中断的情况包括：不发生传输中断的中继集合K为空集、不发生传输中断的集合K中选择最优中继速率小于门限速率，按式(7)确定系统的中断概率Pout：
Figure BDA00036561612900000712
其中，
Figure BDA0003656161290000081
是第一时隙目标节点接收信噪比，Rth是门限速率，Rth取值范围为(0,1)bit/s/Hz，本实施例Rth取值为0.01bit/s/Hz，|K|是不发生传输中断的中继集合K的绝对值。
该步骤的其它步骤与实施例1相同。
完成无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法。
实施例3
本实施例的无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法由下述步骤组成：
(1)构建传输信号模型
该步骤与实施例1相同。
(2)确定传输时隙内的功率分配系数
按式(1)确定传输时隙内的功率分配系数βi：
Figure BDA0003656161290000082
其中
Figure BDA0003656161290000083
是信源节点S到各个全双工中继节点Ri的信道系数，
Figure BDA0003656161290000084
为零均值和单位方差的复高斯分布，γth是门限信噪比，αi是每一个中继的每一传输周期的时隙分配系数，且0＜αi＜1
Figure BDA0003656161290000085
全双工中继节点Ri处加性高斯白噪声的方差，
Figure BDA0003656161290000086
是信源节点S到各个全双工中继节点Ri的距离，θ是路径损耗指数，θ取值为2～5，本实施例的θ取值为5。
ps是每一个传输周期信源节点的发射功率。
(3)确定传输时隙内的时隙分配系数
按式(2)确定传输时隙内的时隙分配系数αi：
Figure BDA0003656161290000087
其中，
Figure BDA0003656161290000088
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的信道系数，本实施例的
Figure BDA0003656161290000089
为零均值和单位方差的复高斯分布，η是转换效率，η取值范围为(0,1)，本实施例的η取值为0.99，
Figure BDA00036561612900000810
是目标节点D处加性高斯白噪声的方差。
Figure BDA00036561612900000811
是自干扰信道系数，
Figure BDA00036561612900000812
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的距离，αi表示第一时隙分配系数，1-αi表示第二时隙分配系数。
(4)建立中继集合
该步骤与实施例1相同。
(5)选择最优中继
该步骤与实施例1相同。
(6)确定中断概率和分集阶数
中断的情况包括：不发生传输中断的中继集合K为空集、不发生传输中断的集合K中选择最优中继速率小于门限速率，按式(7)确定系统的中断概率Pout：
Figure BDA0003656161290000091
其中，
Figure BDA0003656161290000092
是第一时隙目标节点接收信噪比，Rth是门限速率，Rth取值范围为(0,1)bit/s/Hz，本实施例Rth取值为0.99bit/s/Hz，|K|是不发生传输中断的中继集合K的绝对值。
该步骤的其它步骤与实施例1相同。
完成无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1的无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法(以下简称实施例1方法)与随机中继选择方法(以下简称对比实验方法)进行了对比仿真模拟实验，实验结果见图2。图2是不同能量收集中继数量下传输信噪比对中断概率Pout的影响。由图2可见，实施例1的方法与对比实验方法相比，在N为4、每一个传输周期的信噪比为5dB～26dB时，系统中断概率降低了0.1015～0.262997。

Claims (5)

1.一种无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法，其特征在于它是由下述步骤组成：
(1)构建传输信号模型
全双工多中继系统由1个信源节点S、N个全双工中继节点Ri、i∈{1,2,...,N}，1个目标节点D连接构成，N为有限的正整数，在信源节点和目标节点上设置有单个天线，每个全双工中继节点上设置有1根发送天线和1根接收天线，构建成传输信号模型；
(2)确定传输时隙内的功率分配系数
按式(1)确定传输时隙内的功率分配系数βi：
Figure FDA0004076836230000011
其中
Figure FDA0004076836230000012
是信源节点S到各个全双工中继节点Ri的信道系数，γth是门限信噪比，αi是每一个中继传输时隙内的第一时隙每一传输周期的时隙分配系数，
Figure FDA0004076836230000013
全双工中继节点Ri处加性高斯白噪声的方差，
Figure FDA0004076836230000014
是信源节点S到各个全双工中继节点Ri的距离，θ是路径损耗指数，ps是每一个传输周期信源节点的发射功率；
(3)确定传输时隙内的时隙分配系数
按式(2)确定传输时隙内的时隙分配系数αi：
Figure FDA0004076836230000015
其中，
Figure FDA0004076836230000016
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的信道系数，η是转换效率，
Figure FDA0004076836230000017
是目标节点D处加性高斯白噪声的方差，
Figure FDA0004076836230000018
是自干扰信道系数，
Figure FDA0004076836230000019
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的距离，αi表示第一时隙分配系数，1-αi表示第二时隙分配系数；
(4)建立中继集合
按式(3)建立不发生传输中断的中继集合K：
Figure FDA0004076836230000021
(5)选择最优中继
按式(4)不发生传输中断的中继集合K中选择最优中继
Figure FDA00040768362300000211
Figure FDA0004076836230000022
Figure FDA0004076836230000023
Figure FDA0004076836230000024
其中，
Figure FDA0004076836230000025
是中继节点Ri到目的节点D的传输信噪比，Ri∈K；
(6)确定中断概率和分集阶数
按式(7)确定系统的中断概率Pout：
Figure FDA0004076836230000026
其中，
Figure FDA0004076836230000027
是第一时隙目标节点接收信噪比，Rth是门限速率，|K|是不发生传输中断的中继集合K的绝对值；
按式(8)确定分集阶数d：
Figure FDA0004076836230000028
分析随信噪比变化中断概率Pout变化的情况、中继数量N变化中断概率Pout的变化情况；中断概率Pout越小，系统中断性能越好；计算得出分集阶数d等于中继数量N，中继数量N越大，中断性能越好，分集增益越好。
2.根据权利要求1所述的无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法，其特征在于：在(2)确定传输时隙内的功率分配系数中，所述的
Figure FDA0004076836230000029
是信源节点到各个全双工中继节点的信道系数，
Figure FDA00040768362300000210
为零均值和单位方差的复高斯分布。
3.根据权利要求1所述的无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法，其特征在于：在(2)、(3)步骤中，所述的θ是路径损耗指数，θ取值为2～5。
4.根据权利要求1所述的无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法，其特征在于：(3)确定传输时隙内的时隙分配系数中，按式(2)确定传输时隙内的时隙分配系数αi：
Figure FDA0004076836230000031
其中，
Figure FDA0004076836230000032
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的信道系数，η是转换效率，η取值为(0,1)，
Figure FDA0004076836230000033
是目标节点D处加性高斯白噪声的方差，
Figure FDA0004076836230000034
是自干扰信道系数，
Figure FDA0004076836230000035
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的距离，αi表示第一时隙分配系数，1-αi表示第二时隙分配系数。
5.根据权利要求1或4所述的无线能量收集全双工多中继系统的信息传输方法，其特征在于：在(3)确定传输时隙内的时隙分配系数中，所述的
Figure FDA0004076836230000036
是各个全双工中继节点Ri到目标节点D的信道系数，
Figure FDA0004076836230000037
为零均值和单位方差的复高斯分布。
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