CN116015363B - 一种协作磁感应解码转发通信方法及系统 - Google Patents
一种协作磁感应解码转发通信方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116015363B CN116015363B CN202211596816.6A CN202211596816A CN116015363B CN 116015363 B CN116015363 B CN 116015363B CN 202211596816 A CN202211596816 A CN 202211596816A CN 116015363 B CN116015363 B CN 116015363B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coil
- target
- relay
- source
- relay coil
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 85
- 230000006698 induction Effects 0.000 title claims abstract description 55
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 67
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 6
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 claims description 4
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005562 fading Methods 0.000 abstract description 7
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 2
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000005290 field theory Methods 0.000 description 1
- 238000011478 gradient descent method Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Near-Field Transmission Systems (AREA)
Abstract
本发明公开了一种协作磁感应解码转发通信方法及系统，属于无线磁感应通信技术领域，应用于CMI‑DF通信系统；其中，CMI‑DF通信系统包括：源线圈、中继线圈和目标线圈；本发明通过利用有源中继的接收转发提供的协作分集效果来对抗磁感应信道的角度选择性衰落；在此基础上，根据基尔霍夫定律建立CMI‑DF通信系统的等效电路模型，以对CMI‑DF通信系统进行等效信道分析并根据磁感应信道状态信息，得到CMI‑DF通信系统平均误码率上界，进而通过最小化系统的平均误码率上界来确定CMI‑DF通信系统中继部署和功率分配的最优方案，能够充分挖掘协作中继提供的空间分集，抑制磁感应信道的角度选择性衰落，有效地提高了通信系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于无线磁感应通信技术领域，更具体地，涉及一种协作磁感应解码转发通信方法及系统。
背景技术
随着人类生存空间的扩张与工业发展，为使能精细农业、地震预测、海洋检测和健康监测等应用，地下、水下、人体组织等极限环境下的无线通信需求日益提升。然而，传统的电磁波技术在这些场景下面临高路径损耗、低穿透效率、严重的多径衰落等问题。因此，基于磁感应(magnetic induction,MI)的无线通信技术由于在有损介质中存在低路径损耗、高穿透效率、信道响应稳定等优势，便于在极限场景下实现高效率、高可靠性的无线数据传输。
现有的协作磁感应解码转发通信方法在对磁感应信道进行建模时，往往假设线圈之间的相对角度均不发生变化，但是在实际的动态环境下，磁感应信道收发线圈之间的相对角度容易受到环境的影响，而角度选择性的发生容易导致时变的路径损耗甚至通信中断，通信可靠性较低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种协作磁感应解码转发通信方法及系统，用以解决现有技术由于存在角度选择性衰落所导致的通信可靠性较低的技术问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种协作磁感应解码转发通信方法，应用于CMI-DF通信系统；其中，CMI-DF通信系统包括：源线圈、中继线圈和目标线圈；
上述协作磁感应解码转发通信方法，包括：
源线圈向中继线圈和目标线圈广播信号，中继线圈接收到源线圈发射过来的信号后，采用解码转发协议将其转发给目标线圈，目标线圈接收源线圈发射过来的信号和中继线圈转发过来的信号；
其中，源线圈的发射功率、中继线圈的发射功率以及中继线圈与源线圈之间的距离通过以下方式确定：
基于源线圈和目标线圈的接收电压进行信道估计，从而推导得到源线圈到中继线圈、中继线圈到目标线圈、源线圈到目标线圈的信道状态信息表达式；
基于中继线圈到目标线圈、源线圈到目标线圈的信道状态信息表达式，根据最大比合并准则，得到目标线圈的合并接收电压，进而得到目标线圈总接收信号的信噪比表达式；
基于源线圈到中继线圈、中继线圈到目标线圈、源线圈到目标线圈的信道状态信息表达式，分别得到中继线圈和目标线圈所接收的源线圈发射信号的信噪比表达式，并进一步表征为与磁感应信道角度失配系数相关的表达式后，基于动态环境中当源线圈、中继线圈和目标线圈均指向服从3D空间中的均匀分布时失配系数的概率密度函数，得到源线圈-中继线圈、中继线圈-目标线圈、源线圈-目标线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式；
基于目标线圈总接收信号的信噪比表达式、以及中继线圈-目标线圈、源线圈-目标线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式，得到目标线圈接收信噪比的概率密度函数表达式；
根据源线圈-中继线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式以及目标线圈接收信噪比的概率密度函数表达式，推导得到CMI-DF通信系统的平均误码率上界；
通过最小化CMI-DF通信系统的平均误码率上界，得到源线圈发射功率、中继线圈的发射功率以及中继线圈与源线圈之间的距离。
进一步优选地，CMI-DF通信系统的平均误码率上界的获取方法，包括以下步骤：
基于源线圈-中继线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式以及目标线圈接收信噪比的概率密度函数表达式，推导情况A发生的概率，进而得到情况A下目标线圈的解码误码率；
基于源线圈-中继线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式以及目标线圈接收信噪比的概率密度函数表达式，推导情况B发生的概率，进而得到情况B下目标线圈的解码误码率上界；
根据情况A下目标线圈的解码误码率以及情况B下目标线圈的解码误码率上界，得到CMI-DF通信系统的平均误码率上界；
其中，情况A表示中继线圈解码正确的情况；情况B表示中继线圈解码错误的情况。
进一步优选地，CMI-DF通信系统的平均误码率上界Pe(η,ζ)为：
其中，为功率分配系数，Ps为源线圈的发射功率，Ptotal为系统总功率；为中继部署系数，rsr为中继线圈与源线圈之间的距离，rsd为源线圈与目标线圈之间的距离；erfc(·)表示互补误差函数；Pr为中继线圈的发射功率；γMRC为目标线圈的总接收信号的信噪比表达式；N0为噪声功率；f为系统发射信号频率；μ为介质磁导率；as、ar和ad分别为源线圈、中继线圈、目标线圈的半径；Ns、Nr和Nd分别为源线圈、中继线圈、目标线圈的匝数；Zg,s、Zg,r和Zg,d分别为源线圈、中继线圈和目标线圈的本征阻抗；RL,s、RL,r和RL,d分别为源线圈、中继线圈和目标线圈的负载电阻。
进一步优选地，源线圈到中继线圈的信道状态信息表达式为：
中继线圈到目标线圈的信道状态信息表达式为：
源线圈到目标线圈的信道状态信息表达式为：
其中，Zg,s、Zg,r和Zg,d分别为源线圈、中继线圈和目标线圈的本征阻抗；RL,r和RL,d分别为中继线圈和目标线圈的负载电阻；f为系统发射信号频率；为源线圈与中继线圈的互感系数；/>为中继线圈与目标线圈的互感系数；/>为源线圈与目标线圈的互感系数；as、ar和ad分别为源线圈、中继线圈、目标线圈的半径；Ns、Nr和Nd分别为源线圈、中继线圈、目标线圈的匝数；rsr为中继线圈与源线圈之间的距离；rrd为中继圈与目标线圈之间的距离；rsd为源线圈与目标线圈之间的距离；J为角度失配系数。
进一步优选地，目标线圈总接收信号的信噪比表达式为：
其中，Ps为源线圈的发射功率；Pr为中继线圈的发射功率；N0为噪声功率。
进一步优选地，源线圈-中继线圈的接收信噪比γsr的概率密度函数表达式为：
中继线圈-目标线圈的接收信噪比γrd的概率密度函数表达式为：
源线圈-目标线圈的接收信噪比γsd的概率密度函数表达式为：
其中，Ps为源线圈的发射功率；Pr为中继线圈的发射功率；N0为噪声功率；f为系统发射信号频率；为源线圈与中继线圈的匹配互感系数；为中继线圈与目标线圈的匹配互感系数；/>为源线圈与目标线圈的匹配互感系数。
进一步优选地，目标线圈接收信噪比的概率密度函数表达式为：
其中，γMRC为目标线圈的总接收信噪比。
第二方面，本发明提供了一种协作磁感应解码转发通信系统，包括：源线圈、中继线圈、目标线圈和控制模块；其中，中继线圈位于源线圈和目标线圈之间；
控制模块用于执行本发明第一方面所提供的协作磁感应解码转发通信方法。
第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行本发明第一方面所提供的协作磁感应解码转发通信方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明提供了一种协作磁感应解码转发通信方法，设计了一种由源线圈、中继线圈和目标线圈所组成的CMI-DF通信系统，以利用有源中继的接收转发提供协作分集效果来对抗磁感应信道的角度选择性衰落；在此基础上，根据基尔霍夫定律建立CMI-DF通信系统的等效电路模型，以对CMI-DF通信系统进行等效信道分析，并根据磁感应信道状态信息，得到CMI-DF通信系统平均误码率上界，进而通过最小化系统的平均误码率上界来确定CMI-DF通信系统中继部署和功率分配的最优方案，能够充分挖掘协作中继提供的空间分集，抑制磁感应信道的角度选择性衰落，有效地提高了通信系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的CMI-DF通信系统的示意图；
图2为本发明实施例所提供的CMI-DF通信系统等效电路模型示意图；
图3为本发明实施例所提供的系统BER随功率分配系数和中继部署系数变化3D示意图；
图4为本发明实施例所提供的不同初始点下算法收敛性验证结果示意图；
图5为本发明实施例所提供的优化前后CMI-DF方案的BER性能对比结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种协作磁感应解码转发通信方法，应用于基于解码转发协议的磁感应中继协作通信系统(CMI-DF通信系统)；如图1所示，CMI-DF通信系统包括：源线圈S、中继线圈R、目标线圈D；其中中继线圈R总是位于源线圈S和目标线圈D之间，源线圈S向中继线圈R和目标线圈D广播信号，中继线圈R使用解码转发(DecodeForward,DF)协议，将接收到来自源线圈S的信号解码后转发给目标线圈D，构造协作磁感应解码转发通信方案(Decode Forward based Cooperative Magnetic Induction,CMI-DF)。
其中，源线圈的发射功率、中继线圈的发射功率以及中继线圈与源线圈之间的距离通过以下方式确定：
S1、基于源线圈和目标线圈的接收电压进行信道估计，从而推导得到源线圈到中继线圈、中继线圈到目标线圈、源线圈到目标线圈的信道状态信息表达式；
具体地，系统发射信号频率为f；源线圈：半径为as，匝数为Ns，电感为Ls，电容为Cs，本征电阻为R0,s，负载电阻为RL,s，本征阻抗为中继线圈：半径为ar，匝数为Nr，电感为Lr，电容为Cr，本征电阻为R0,r，负载电阻为RL,r，本征阻抗为目标线圈：半径为ad，匝数为Nd，电感为Ld，电容为Cd，本征电阻为R0,d，负载电阻为RL,d，本征阻抗为/>源线圈与中继线圈之间的距离为rsr；源线圈与目标线圈之间的距离为rsd；中继线圈与目标线圈之间的距离为rrd。根据电磁场理论，源线圈与中继线圈之间的互感系数为Msr，源线圈与中继线圈的最大匹配互感系数为/>角度失配系数J，实际互感系数为Msr＝Msr,a·J；源线圈与目标线圈之间的互感系数为Msd，源线圈与目标线圈的最大匹配互感系数为/>角度失配系数J，实际互感系数为Msd＝Msd,a·J；中继线圈与目标线圈之间的互感系数为Mrd，中继线圈与目标线圈的最大匹配互感系数为角度失配系数J，实际互感系数为Mrd＝Mrd,a·J。
CMI-DF通信系统包括两个时隙：
在第一个时隙，S向R和D广播信号，发射电压信号为Us，噪声电压为Un，根据基尔霍夫定律，则有R的接收电压为为S-R近似等效信道转移系数，Msr为S-R互感系数，Un,r为R线圈的接收高斯白噪声；为S-D的近似等效信道转移系数，Msd为S-D互感系数，Un,d为D线圈的接收高斯白噪声。当收发线圈匹配时，可得到第一阶段R和D的接收SNR分别为/>其中，N0为噪声功率；Ps为S的发射功率。对于给定线圈参数和系统频率，R和D在该时隙的接收SNR取决于源线圈功率Ps、S-R之间距离rsr以及S-D之间距离rsd。
在第二时隙，根据DF协议，R将接收到的信号进行解码，然后再将解码信号发送给D，发送信号电压为Ur，此时D的接收电压信号可以表示为表示R-D的近似等效信道转移系数，R的发射功率为Pr，D在该时隙的接收SNR为/>对于给定线圈参数和系统频率，D在该时隙的接收SNR取决于中继线圈功率Pr和R-D之间距离rrd。
S2、基于中继线圈到目标线圈、源线圈到目标线圈的信道状态信息表达式，根据最大比合并准则，得到目标线圈的合并接收电压，进而得到目标线圈总接收信号的信噪比表达式；
本发明基于用最大比合并准则，设计了基于源-目标、中继-目标信道状态信息的最大比合并信道接收方案。具体地，根据S-D和R-D的信道状态信息Hsr(f)和Hrd(f)，利用MRC检测器，得到D的合并接收电压为Ud＝a1Usd+a2Urd，其中，合并系数则有D的匹配合并接收SNR为
S3、基于源线圈到中继线圈、中继线圈到目标线圈、源线圈到目标线圈的信道状态信息表达式，分别得到中继线圈和目标线圈所接收的源线圈发射信号的信噪比表达式，并进一步表征为与磁感应信道角度失配系数相关的表达式后，基于动态环境中当源线圈、中继线圈和目标线圈均指向服从3D空间中的均匀分布时失配系数的概率密度函数，得到源线圈-中继线圈、中继线圈-目标线圈、源线圈-目标线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式；
本发明考虑动态环境下磁感应信道的角度失配影响，根据MI信号的角度选择性，给出3D空间中收发线圈对之间失配系数的统计分布特性，并建立CMI-DF方案下S-R、R-D、S-D的统计信道模型。
具体地，根据动态环境中磁感应线圈的运动规律，线圈的指向通常服从3D空间中的均匀分布，则有失配系数J的概率密度函数(Probability Density Function,PDF)为：
根据J的PDF可以得到|J|的累计分布函数(Cumulative distribution function,CDF)为
进一步可以得到X＝J2的CDF如下
并且有近似表达为
中继接收SNR可以被表征为类似地，可以得到以及/>
根据以上公式，可以得到γsr、γrd、γsd的CDF，求导后有PDF分别为γsr∈[0,Gsr]；/>γrd∈[0,Grd]；γsr∈[0,Gsr]。其中，源线圈-中继线圈、中继线圈-目标线圈、源线圈-目标线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式分别为：
S4、基于目标线圈总接收信号的信噪比表达式、以及中继线圈-目标线圈、源线圈-目标线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式，得到目标线圈接收信噪比的概率密度函数表达式；
由于MRC的输出SNRγMRC＝γsd+γrd，因此结合上述γsd和γrd的PDF，得到γMRC的PDF为
具体地，当0≤x＜Gsd时，有
当Gsd≤x＜Grd时，有
当Grd≤x≤Gsd+Grd时，有
综上，有γMRC的PDF为
S5、根据源线圈-中继线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式以及目标线圈接收信噪比的概率密度函数表达式，推导得到CMI-DF通信系统的平均误码率上界；
具体地，根据CMI-DF通信系统的特点，R的解码有两种情况，分别为Φ1和Φ2。在Φ1中，R解码正确，并将正确解码的信号重新发送给D，这种情况发生的概率为其中pe(γsr)为加性高斯白噪声信道下的误符号率，当使用BPSK调制方案，/>结合γsr的PDF，可以得到Φ1的发生概率为：
进一步得到Φ2的发生概率为：
在情况Φ1下，D接收功率为γMRC，根据γMRC的PDF，可以得到此时D的解码误码率为情况Φ2下，D的接收误码率上界为/>综上，得到CMI-DF通信系统的平均误码率上界为
为了简化表达，令为功率分配系数，Ptotal＝Ps+Pr为系统总功率，/>为中继部署系数，则有CMI-DF通信系统的平均误码率(Bit-error-rate,BER)为：
其中，
S6、通过最小化CMI-DF通信系统的平均误码率上界，得到源线圈发射功率、中继线圈的发射功率以及中继线圈与源线圈之间的距离。
为了实现中继部署以及功率分配的联合优化，提高通信系统的可靠性，以最小化系统平均BER为目标，构造无约束优化问题通过对该优化问题进行求解即可得到源线圈的发射功率、中继线圈的发射功率以及中继线圈与源线圈之间的距离的最优值。
为了进一步说明本发明所提供的协作磁感应解码转发通信方法，下面结合具体实施例进行详述：
按照本实施例的一个方面，提供了一种使用源线圈S、中继线圈R、目标线圈D组成的CMI-DF通信系统。
本实施例中，源线圈与目标线圈之间距离rsd＝40m；源线圈S、中继线圈R、目标线圈D均相同，三个线圈的半径均为a＝0.5m，线圈匝数均为N＝10，磁导率均为μ＝4π×10-7H·m-1，谐振(操作)频率均为f0＝10kHz。根据麦克斯韦场方程，有两个线圈之间的最大匹配互感系数则可以得到S-D之间的匹配互感系数为/>CMI-DF通信系统等效电路模型由图2给出。初始给定线圈电阻RL＝0.5215Ω，线圈谐振频率处线圈本征阻抗Zg＝1.0430Ω，信号噪声功率N0＝-103dBm/Hz，系统总功率Ptotal＝Ps+Pr＝-10dBW，并且有Ps＝Pr＝-13.0103dBW，则有等效匹配信道转移系数/>
在第一时隙，S向R和D广播信号，当收发线圈匹配时，可得到第一阶段R和D的接收SNR分别为
在第二时隙，R向D转发信号，给定信道状态信息Hsr(f)和Hrd(f)，得到MRC检测器的合并系数以及/>进一步得到D的匹配合并接收SNR为γMRC＝γsd+γrd＝83.68dB。
进一步地，按照本实施例的一个方面，提供了CMI-DF通信系统的统计信道模型，包括以下两个步骤：
(1)根据给定线圈参数以及等效电路模型，得到信道匹配系数：
从而得到γsr、γrd、γsd的近似PDF分别为
(2)根据MRC合并方案，得到D的输出SNR有γMRC的PDF为：
按照本发明的一个方面，提供CMI-DF通信系统的平均BER，并给出以最小化平均BER为目标的无约束优化问题，包括以下两个步骤：
(1)得到CMI-DF系统的平均BER上界，如下
(2)根据功率分配系数中继部署系数/>得到重构的CMI-DF通信系统的平均BER为：
在不同功率分配系数和中继部署系数下的BER由图3给出。随后，根据该表达式构造无约束优化问题
按照本实施例的一个方面，提供了基于梯度下降法来求解上述无约束优化问题的方法，步骤如下：
Step1：初始化。给出起始变量值x0＝[η0,ζ0]；设置迭代精度ε＞0；给出Hessian近似矩阵H0；给出迭代指数k＝1；
Step2：判断梯度范数/>是否成立，如果成立则执行步骤Step3，否则执行步骤Step7；
Step3：计算搜索向量pk＝-Hk▽Pe(xk)；
Step4：更新xk+1＝xk+αkpk，其中αk的计算方式如下：Pe(xk)-Pe(xk+αkpk)≥-σαk▽Pe(xk)Tpk，▽Pe(xk+αkpk)Tpk≥β▽Pe(xk)Tpk，其中σ∈(0,0.5)，β∈(σ,1)是尺度系数；
Step5：计算其中，sk＝xk+1-xk，yk＝▽Pe(xk+1)-▽Pe(xk)，/>
Step6：更新k＝k+1，并返回步骤Step2；
Step7：输出最优解x*和
根据该步骤，选择不同起始点，均收敛于x*＝[0.5421,0.1549]；选择不同起始点时的迭代次数如表1所示：
表1
| 起始点 | [0.2,0.2] | [0.4,0.3] | [0.1,0.35] | [0.35,0.05] | [0.5,0.45] |
| 迭代次数 | 11 | 11 | 15 | 6 | 12 |
| 起始点 | [0.45,0.15] | [0.3,0.3] | [0.6,0.2] | [0.75,0.7] | [0.8,0.15] |
| 迭代次数 | 5 | 12 | 9 | 13 | 8 |
从表1可以看出，选择不同的起始点，均在20次迭代内收敛，图4给出了不同初始点下算法收敛性验证结果。此时最优的中继部署位置为S-R距离为rsr＝21.684m，源发射功率为Ps＝-18.0967dBW，中继发射功率为Pr＝-10.7314dBW。优化前的CMI-DF系统平均BER为0.0109，优化后为0.0069。因此，提出的CMI-DF中继部署与功率分配联合优化方案可以有效提高系统的可靠性。图5给出了不同系统总功率下优化前后CMI-DF方案的BER性能对比结果，验证了优化CMI-DF性能的优越性。
综上，本发明提供了一种协作磁感应解码转发通信方法，能够有效对抗动态磁感应信道的角度选择性衰落；另外，通过对动态磁感应信道的统计特性研究，分析一种协作磁感应解码转发通信系统的误码率性能，考虑到中继部署位置和功率分配方案对系统性能的影响，实现两者的联合优化，保证系统的可靠性。
第二方面，本发明提供了一种协作磁感应解码转发通信系统，包括：源线圈、中继线圈、目标线圈和控制模块；其中，中继线圈位于源线圈和目标线圈之间；
控制模块用于执行本发明第一方面所提供的协作磁感应解码转发通信方法。
相关技术技术方案同本发明第一方面所提供的协作磁感应解码转发通信方法，这里不做赘述。
第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行本发明第一方面所提供的协作磁感应解码转发通信方法。
相关技术技术方案同本发明第一方面所提供的协作磁感应解码转发通信方法，这里不做赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种协作磁感应解码转发通信方法，其特征在于，应用于CMI-DF通信系统；所述CMI-DF通信系统包括：源线圈、中继线圈和目标线圈；
所述协作磁感应解码转发通信方法，包括：
源线圈向中继线圈和目标线圈广播信号，中继线圈接收到源线圈发射过来的信号后，采用解码转发协议将其转发给目标线圈，目标线圈接收源线圈发射过来的信号和中继线圈转发过来的信号；
其中，源线圈的发射功率、中继线圈的发射功率以及中继线圈与源线圈之间的距离通过以下方式确定：
基于源线圈和目标线圈的接收电压进行信道估计，从而推导得到源线圈到中继线圈、中继线圈到目标线圈、源线圈到目标线圈的信道状态信息表达式；
基于中继线圈到目标线圈、源线圈到目标线圈的信道状态信息表达式，根据最大比合并准则，得到目标线圈的合并接收电压，进而得到目标线圈总接收信号的信噪比表达式；
基于源线圈到中继线圈、中继线圈到目标线圈、源线圈到目标线圈的信道状态信息表达式，分别得到中继线圈和目标线圈所接收的源线圈发射信号的信噪比表达式，并进一步表征为与磁感应信道角度失配系数相关的表达式后，基于动态环境中当源线圈、中继线圈和目标线圈均指向服从3D空间中的均匀分布时角度失配系数的概率密度函数，得到源线圈-中继线圈、中继线圈-目标线圈、源线圈-目标线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式；
基于目标线圈总接收信号的信噪比表达式、以及中继线圈-目标线圈、源线圈-目标线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式，得到目标线圈接收信噪比的概率密度函数表达式；
根据源线圈-中继线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式以及目标线圈接收信噪比的概率密度函数表达式，推导得到CMI-DF通信系统的平均误码率上界；
通过最小化CMI-DF通信系统的平均误码率上界，得到源线圈发射功率、中继线圈的发射功率以及中继线圈与源线圈之间的距离。
2.根据权利要求1所述的协作磁感应解码转发通信方法，其特征在于，所述CMI-DF通信系统的平均误码率上界的获取方法，包括以下步骤：
基于源线圈-中继线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式以及目标线圈接收信噪比的概率密度函数表达式，推导情况A发生的概率，进而得到所述情况A下目标线圈的解码误码率；
基于源线圈-中继线圈的接收信噪比的概率密度函数表达式以及目标线圈接收信噪比的概率密度函数表达式，推导情况B发生的概率，进而得到所述情况B下目标线圈的解码误码率上界；
根据所述情况A下目标线圈的解码误码率以及所述情况B下目标线圈的解码误码率上界，得到所述CMI-DF通信系统的平均误码率上界；
其中，所述情况A表示中继线圈解码正确的情况；所述情况B表示中继线圈解码错误的情况。
3.根据权利要求2所述的协作磁感应解码转发通信方法，其特征在于，所述CMI-DF通信系统的平均误码率上界Pe(η,ζ)为：
其中，为功率分配系数，Ps为源线圈的发射功率，Ptotal为系统总功率；/>为中继部署系数，rsr为中继线圈与源线圈之间的距离，rsd为源线圈与目标线圈之间的距离；erfc(·)表示互补误差函数；Pr为中继线圈的发射功率；γMRC为目标线圈的总接收信噪比；N0为噪声功率；f为系统发射信号频率；μ为介质磁导率；as、ar和ad分别为源线圈、中继线圈、目标线圈的半径；Ns、Nr和Nd分别为源线圈、中继线圈、目标线圈的匝数；Zg,s、Zg,r和Zg,d分别为源线圈、中继线圈和目标线圈的本征阻抗；RL,s、RL,r和RL,d分别为源线圈、中继线圈和目标线圈的负载电阻。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的协作磁感应解码转发通信方法，其特征在于，源线圈到中继线圈的信道状态信息表达式为：
中继线圈到目标线圈的信道状态信息表达式为：
源线圈到目标线圈的信道状态信息表达式为：
其中，Zg,s、Zg,r和Zg,d分别为源线圈、中继线圈和目标线圈的本征阻抗；RL,r和RL,d分别为中继线圈和目标线圈的负载电阻；f为系统发射信号频率；为源线圈与中继线圈的互感系数；/>为中继线圈与目标线圈的互感系数；/>为源线圈与目标线圈的互感系数；as、ar和ad分别为源线圈、中继线圈、目标线圈的半径；Ns、Nr和Nd分别为源线圈、中继线圈、目标线圈的匝数；rsr为中继线圈与源线圈之间的距离；rrd为中继线圈与目标线圈之间的距离；rsd为源线圈与目标线圈之间的距离；J为角度失配系数。
5.根据权利要求4所述的协作磁感应解码转发通信方法，其特征在于，目标线圈总接收信号的信噪比表达式为：
其中，Ps为源线圈的发射功率；Pr为中继线圈的发射功率；N0为噪声功率。
6.根据权利要求4所述的协作磁感应解码转发通信方法，其特征在于，源线圈-中继线圈的接收信噪比γsr的概率密度函数表达式为：
中继线圈-目标线圈的接收信噪比γrd的概率密度函数表达式fγrd(γrd)为：
源线圈-目标线圈的接收信噪比γsd的概率密度函数表达式fγsd(γsd)为：
其中，Ps为源线圈的发射功率；Pr为中继线圈的发射功率；N0为噪声功率；f为系统发射信号频率；为源线圈与中继线圈的匹配互感系数；为中继线圈与目标线圈的匹配互感系数；/>为源线圈与目标线圈的匹配互感系数。
7.根据权利要求6所述的协作磁感应解码转发通信方法，其特征在于，目标线圈接收信噪比的概率密度函数表达式为：
其中，γMRC为目标线圈的总接收信噪比。
8.一种协作磁感应解码转发通信系统，其特征在于，包括：源线圈、中继线圈、目标线圈和控制模块；其中，中继线圈位于源线圈和目标线圈之间；
控制模块用于执行权利要求1-7任意一项所述的协作磁感应解码转发通信方法。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求1-7任意一项所述的协作磁感应解码转发通信方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211596816.6A CN116015363B (zh) | 2022-12-12 | 2022-12-12 | 一种协作磁感应解码转发通信方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211596816.6A CN116015363B (zh) | 2022-12-12 | 2022-12-12 | 一种协作磁感应解码转发通信方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116015363A CN116015363A (zh) | 2023-04-25 |
| CN116015363B true CN116015363B (zh) | 2024-05-17 |
Family
ID=86022730
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211596816.6A Active CN116015363B (zh) | 2022-12-12 | 2022-12-12 | 一种协作磁感应解码转发通信方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116015363B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101282199A (zh) * | 2008-04-14 | 2008-10-08 | 北京邮电大学 | 用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法 |
| JP2017034940A (ja) * | 2015-08-05 | 2017-02-09 | 株式会社フジクラ | 非接触電力伝送システム、非接触電力伝送システムのアンテナ設計方法、および非接触電力伝送方法 |
| CN111866985A (zh) * | 2020-07-30 | 2020-10-30 | 广西华南通信股份有限公司 | 用于密集型通信网络的混合式中继选择方法 |
| WO2022022959A1 (en) * | 2020-07-28 | 2022-02-03 | Koninklijke Philips N.V. | Detection of unconnected mr coils and localization of misplaced coils |
| CN114302474A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-04-08 | 杭州电子科技大学 | 基于增量放大转发的多中继协作通信方法及系统 |
| CN115333180A (zh) * | 2021-03-04 | 2022-11-11 | 吉成无线（深圳）有限公司 | 基于中继线圈的远距离自适应asm通信解调的自学习控制方法及无线充电器 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8587155B2 (en) * | 2008-09-27 | 2013-11-19 | Witricity Corporation | Wireless energy transfer using repeater resonators |
| US9397726B2 (en) * | 2010-08-23 | 2016-07-19 | Radeum, Inc. | System and method for communicating between near field communication devices within a target region using near field communication |
-
2022
- 2022-12-12 CN CN202211596816.6A patent/CN116015363B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101282199A (zh) * | 2008-04-14 | 2008-10-08 | 北京邮电大学 | 用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法 |
| JP2017034940A (ja) * | 2015-08-05 | 2017-02-09 | 株式会社フジクラ | 非接触電力伝送システム、非接触電力伝送システムのアンテナ設計方法、および非接触電力伝送方法 |
| WO2022022959A1 (en) * | 2020-07-28 | 2022-02-03 | Koninklijke Philips N.V. | Detection of unconnected mr coils and localization of misplaced coils |
| CN111866985A (zh) * | 2020-07-30 | 2020-10-30 | 广西华南通信股份有限公司 | 用于密集型通信网络的混合式中继选择方法 |
| CN115333180A (zh) * | 2021-03-04 | 2022-11-11 | 吉成无线（深圳）有限公司 | 基于中继线圈的远距离自适应asm通信解调的自学习控制方法及无线充电器 |
| CN114302474A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-04-08 | 杭州电子科技大学 | 基于增量放大转发的多中继协作通信方法及系统 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Joint Time and Energy Allocation for QoS-Aware Throughput Maximization in MIMO-Based Wireless Powered Underground Sensor Networks;Liu, Guanghua等;IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS;20190301;第67卷(第2期);1400-1412 * |
| Performance Analysis of Two-Hop Active Relaying for Dynamic Magnetic Induction Based Underwater Wireless Sensor Networks;Zhang, Yixin等;IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS;20221029;第70卷(第10期);6938-6949 * |
| 蜂窝小区内基于网络编码技术的中继协作传输机制研究;黄琼等;计算机应用研究;20110115(第01期);275-278 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116015363A (zh) | 2023-04-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2923526B1 (en) | System and method for low density spreading modulation detection | |
| CN107624235B (zh) | 用于估计无线通信系统中的下行链路信道的装置和方法 | |
| Brante et al. | Spatial diversity using analog joint source channel coding in wireless channels | |
| CN110621036B (zh) | 混合媒质通信系统中断概率计算模型及自适应中继方法 | |
| CN103548285B (zh) | 功率控制方法及相应的基站 | |
| CN116015363B (zh) | 一种协作磁感应解码转发通信方法及系统 | |
| CN112512109B (zh) | 一种端到端功率分配方法、装置、全双工中继系统及计算机可读存储介质 | |
| CN108462562B (zh) | 一种基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法 | |
| US8995501B2 (en) | Method and apparatus of physical layer network coding | |
| KR102267723B1 (ko) | 이동 통신 시스템에서 유효 잡음을 기반으로 채널 복호 동작을 수행하는 장치 및 방법 | |
| KR101571998B1 (ko) | 릴레이 필터 결정 방법 및 릴레이 | |
| Blum et al. | A near-optimal joint transmit and receive antenna selection algorithm for MIMO systems | |
| KR101688221B1 (ko) | 협력 수준 증가를 통한 비직교 다중접속 기법의 확대 방법 | |
| WO2012107306A1 (en) | Method for increasing quality of signals received by at least one destination device among a plurality | |
| CN115442829A (zh) | 一种隐蔽通信网络干扰机选择和发送功率优化方法 | |
| US10439742B2 (en) | Device and method for performing channel decoding operation in communication system | |
| CN106936751B (zh) | 数据传输方法及装置 | |
| KR101543621B1 (ko) | 다중 입력 다중 출력 시스템의 신호 검출 장치 및 방법 | |
| US8868019B2 (en) | Forward filter training scheme | |
| Daoud et al. | Performance of hybrid relaying in cooperative wireless systems in the presence of impulsive noise | |
| Hesketh | Detection and Resource Allocation Algorithms for Cooperative MIMO Relay Systems | |
| Zhang | Cooperative Magnetic Induction Communications: Performance Analysis and Power-Location Optimization | |
| US9973217B2 (en) | SISO (soft input soft output) system for use in a wireless communication system and an operational method thereof | |
| Ma et al. | Effect of antenna deployment on achievable rate in cooperative magnetic induction communication | |
| Chen et al. | Improved EXIT algorithm based on Gaussian mixture model and its application to LDPC construction in coding cooperative systems with hybrid fading |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |