CN105007113A - 一种信息和能量互换的双向中继通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信息和能量互换的双向中继通信方法，所述方法包括：将一个双向中继传输帧分成两个相等的时隙；在时隙1，源节点发送一个信息信号给中继节点，同时目的节点发送一个能量信号给中继节点；中继节点收到信号后，采用功率分割协议获取能量；在时隙2，中继节点将信息解码信号放大转发给源节点和目的节点，源节点直接从接收信号中获取能量；目的节点对接收信号进行自干扰消除，提取出信息信号。本发明可用于两个终端通过一个中继节点完成信息和能量互换的无线通信***，包括体域网、应答器等，具有实现简单、适用范围广、能够同时满足能量获取和信息传输要求等优点，可以在能量获取约束下最大化信息传输速率。

Description

一种信息和能量互换的双向中继通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种信息和能量互换的双向中继通信方法。

背景技术

目前研究人员已经设计了很多种无线信息和能量同时传输的方法，涉及的通信***包括MIMO、OFDM、中继等。能量接收机有分离式的，目的是在能量收获约束下最大化信息传输速率；也有无线供能通信式的，用收获的能量来完成信息传递，最大化信息传输速率；能量获取模式则有时间切换和功率分割两种。以上这些方法都没有考虑到信息和能量互换问题，在体域网、应答器等无线通信***中，一个终端要将能量输送给另一个终端，同时还要接收来自对方的信息，这就涉及到终端之间的信息和能量互换，需要一种相应的无线信息和能量同时传输方法。

发明内容

本发明提供一种信息和能量互换的双向中继通信方法，可以在能量获取约束下最大化信息传输速率。本发明可用于两个终端通过一个中继节点完成信息和能量互换的无线通信***，包括体域网、应答器等，具有实现简单、适用范围广、能够同时满足能量获取和信息传输要求等优点。

一种信息和能量互换的双向中继通信方法，所述方法包括：

(1)将一个双向中继传输帧分成两个相等的时隙。

(2)在时隙1，源节点发送一个信息信号给中继节点，同时目的节点发送一个能量信号给中继节点。

(3)中继节点收到信号后，采用功率分割协议获取能量。

(4)在时隙2，中继节点将信息解码信号放大转发给源节点和目的节点，源节点直接从接收信号中获取能量。

(5)目的节点对接收信号进行自干扰消除，提取出信息信号。

附图说明

图1为无线信息和能量互换传输***示意图。

图2为无线信息和能量互换传输方法示意图。

具体实施方式

信息和能量互换的双向中继通信***包括一个源节点S、一个中继节点R和一个目的节点D。所有节点都是半双工的，只装有一根天线。源节点S携带很少能量，依靠获取的能量持续工作，中继节点R没有外部供能，依靠从接收的信号中获取能量来完成信号转发，目的节点D拥有充足的能量。一个双向中继传输帧分成两个相等的时隙。在时隙1，源节点S发送一个信息信号给中继节点R，同时目的节点D发送一个能量信号给中继节点R，中继节点R在收到信号后，采用功率分割(power splitting)协议获取能量。在时隙2，中继节点R将信息解码信号放大转发给源节点S和目的节点D。源节点S直接从接收信号中获取能量，记为目的节点D对接收信号进行自干扰消除，提取出信息信号。目的节点D处的信息传输速率记为R(bit/s)，中继节点处的放大增益记为β。

在中继节点R的发射功率约束和源节点S的能量获取约束下最大化目的节点D处的信息传输速率，建立优化问题如下：

$\underset{\mathrm{\ρ},\mathrm{\β}}{max}Rs.t.\mathrm{\β}\≤\mathrm{\Λ},\tilde{E}\≥\mathrm{\Γ},0\≤\mathrm{\ρ}\≤1;---\left(1\right)$

其中ρ是功率分割比率，β是中继节点R的放大增益，Λ是由中继节点R所获取能量确定的阈值，Γ是源节点S的最小获取能量要求。

对该优化问题求解，得到最优的功率分割比率ρ和中继放大增益β。如果它是凸的，采用拉格朗日乘数法求解；如果它是非凸的，先用分数规划等将它转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点法求解。得到最优的功率分割比率和放大增益后，中继节点R对接收信号的处理完全确定。

上述功率分割比率的获取是一种优选方式，采用其它通常的方式获取的功率分割比率也能得到本发明类似的效果。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明，以利于更好地理解本发明。

如图1所示，在时隙1，中继节点R接收到的信号可表示为：

$y\left(t\right)=\sqrt{P_D}{h}_{DR}e\left(t\right)+\sqrt{P_S}{h}_{SR}s\left(t\right)+n\left(t\right);---\left(2\right)$

其中P_D和P_S分别是目的节点D和源节点S的发射功率，e(t)和s(t)分别是目的节点D和源节点S的发送信号，它们互不相关而且均值为0、方差归一化为1，h_DR和h_SR分别是目的节点D、源节点S到中继节点R的信道系数，n(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声。设所有信道经历准静态的瑞利块衰落，信道系数在一个传输帧内保持不变，所有节点已知所需的信道状态信息。

中继节点R将接收信号分成两个部分，一部分用于能量获取，一部分用于信号转发。中继节点R收获的能量计算为E＝ηρ(P_D|h_DR|²+P_S|h_SR|²)T，其中η是能量转换效率，0＜η≤1，T是时隙长度。

设双向中继信道是互应的。在时隙2，目的节点D和源节点S的接收信号表示为：

$z_D\left(t\right)=\sqrt{{\mathrm{\βh}}_{DR}}\tilde{y}\left(t\right)+n_D\left(t\right);$

$z_S\left(t\right)=\sqrt{{\mathrm{\βh}}_{SR}}\tilde{y}\left(t\right)+n_S\left(t\right);---\left(3\right)$

其中 $\tilde{y}\left(t\right)=\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}\left(P_D{h}_{DR}e\right(t)+P_S{h}_{SR}s(t\left)\right)+n\left(t\right);$ n_D(t)和n_S(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声。

目的节点D消除自干扰后，提取出的信息信号表示为：

${\tilde{z}}_D\left(t\right)=\sqrt{\mathrm{\β}}{h}_{DR}\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}\sqrt{P_S}{h}_{SR}s\left(t\right)+\sqrt{\mathrm{\β}}{h}_{DR}n\left(t\right)+n_D\left(t\right);---\left(4\right)$

目的节点D处的信息传输速率可以表示为：

$R=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{\β}(1-\mathrm{\ρ})P_S{\left|h_{DR}\right|}^2{\left|h_{SR}\right|}^2}{\left(1+\mathrm{\β}{\left|h_{DR}\right|}^2\right){\mathrm{\σ}}^2});---\left(5\right)$

受中继节点R的发射功率约束，放大增益β必须满足：

$\mathrm{\β}\≤\frac{\mathrm{\η}\mathrm{\ρ}\left(P_D{\left|h_{DR}\right|}^2+P_S{\left|h_{SR}\right|}^2\right)}{(1-\mathrm{\ρ})\left(P_D{\left|h_{DR}\right|}^2+P_S{\left|h_{SR}\right|}^2\right)+{\mathrm{\σ}}^2};---\left(6\right)$

源节点S获取的能量计算为： $\tilde{E}=\mathrm{\η}\mathrm{\β}{\left|h_{SR}\right|}^2(1-\mathrm{\ρ})(P_D{\left|h_{DR}\right|}^2+P_S{\left|h_{SR}\right|}^2)T;$

优化问题建立为：

$\underset{\mathrm{\ρ},\mathrm{\β}}{\max }Rs.t.\mathrm{\β}\≤\frac{\mathrm{\η}\mathrm{\ρ}\left(P_D{\left|h_{DR}\right|}^2+P_S{\left|h_{SR}\right|}^2\right)}{(1-\mathrm{\ρ})\left(P_D{\left|h_{DR}\right|}^2+P_S{\left|h_{SR}\right|}^2\right)+{\mathrm{\σ}}^2},\tilde{E}\≥\mathrm{\Γ},0\≤\mathrm{\ρ}\≤1;---\left(7\right)$

对于β而言，当它取最大值时，R和也取到最大值。因此β应该取：

$\frac{\mathrm{\η}\mathrm{\ρ}\left(P_D{\left|h_{DR}\right|}^2+P_S{\left|h_{SR}\right|}^2\right)}{(1-\mathrm{\ρ})\left(P_D{\left|h_{DR}\right|}^2+P_S{\left|h_{SR}\right|}^2\right)+{\mathrm{\σ}}^2};$

另外，最大化R相当于最大化令A＝P_D|h_DR|²+P_S|h_SR|²，上述优化问题简化为：

$\underset{\mathrm{\ρ}}{max}\frac{\mathrm{\ρ}(1-\mathrm{\ρ})}{(1-\mathrm{\ρ})A+{\mathrm{\σ}}^2+\mathrm{\η}{\left|h_{DR}\right|}^{2}A\mathrm{\ρ}}s.t.\frac{{\mathrm{\η}}^2{\left|h_{SR}\right|}^2{A}^{2}T\mathrm{\ρ}(1-\mathrm{\ρ})}{(1-\mathrm{\ρ})A+{\mathrm{\σ}}^2}\≥\mathrm{\Γ},0\≤\mathrm{\ρ}\≤1;---\left(8\right)$

第一个约束条件是一元二次不等式，求解后和第二个约束条件合并可以得到ρ的取值边界。目标函数是非凸的，但是它的分子ψ(ρ)是非负、凹的，分母φ(ρ)是正、凸的。引入变量上述优化问题可用分式规划等价转化为一个凸优化问题，在发射功率、信道系数、噪声功率、能量转换效率全部已知的情况下用内点法求解得到c和d的最优值c^*和d^*；ρ的最优值就是然后可以得到最优的β值。

Claims (2)

1.一种信息和能量互换的双向中继通信方法，所述方法包括：

将一个双向中继传输帧分成两个相等的时隙；

在时隙1，源节点发送一个信息信号给中继节点，同时目的节点发送一个能量信号给中继节点；

中继节点收到信号后，采用功率分割协议获取能量；

在时隙2，中继节点将信息解码信号放大转发给源节点和目的节点，源节点直接从接收信号中获取能量；

目的节点对接收信号进行自干扰消除，提取出信息信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述采用功率分割协议获取能量的最优功率分割比率由下述方式获得：

(1)在中继节点R的发射功率约束和源节点S的能量获取约束下最大化目的节点D处的信息传输速率，建立优化问题如下：

$\underset{\mathrm{\ρ},\mathrm{\β}}{max}Rs.t.\mathrm{\β}\≤\mathrm{\Λ},\tilde{E}\≥\mathrm{\Γ},0\≤\mathrm{\ρ}\≤1;$

其中ρ是最优功率分割比率，β是中继节点R的放大增益，Λ是由中继节点R所获取能量确定的阈值，Γ是源节点S的最小获取能量要求；

(2)对该优化问题求解，得到最优功率分割比率和中继放大增益。