CN106487482A - 一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法 - Google Patents

一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106487482A
CN106487482A CN201610942624.4A CN201610942624A CN106487482A CN 106487482 A CN106487482 A CN 106487482A CN 201610942624 A CN201610942624 A CN 201610942624A CN 106487482 A CN106487482 A CN 106487482A
Authority
CN
China
Prior art keywords
power dividing
full duplex
node
relaying
duplex relaying
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.)
Granted
Application number
CN201610942624.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106487482B (zh
Inventor
刘洪武
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong Jiaotong University
Original Assignee
Shandong Jiaotong University
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong Jiaotong University filed Critical Shandong Jiaotong University
Priority to CN201610942624.4A priority Critical patent/CN106487482B/zh
Publication of CN106487482A publication Critical patent/CN106487482A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106487482B publication Critical patent/CN106487482B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L7/00—Arrangements for synchronising receiver with transmitter
    • H04L7/0008—Synchronisation information channels, e.g. clock distribution lines
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/0001—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff
    • H04L1/0023—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff characterised by the signalling
    • H04L1/0026—Transmission of channel quality indication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/14—Two-way operation using the same type of signal, i.e. duplex
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W28/00—Network traffic management; Network resource management
    • H04W28/02—Traffic management, e.g. flow control or congestion control
    • H04W28/0215—Traffic management, e.g. flow control or congestion control based on user or device properties, e.g. MTC-capable devices
    • H04W28/0221—Traffic management, e.g. flow control or congestion control based on user or device properties, e.g. MTC-capable devices power availability or consumption
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. TPC [Transmission Power Control], power saving or power classes
    • H04W52/04—TPC
    • H04W52/18—TPC being performed according to specific parameters
    • H04W52/24—TPC being performed according to specific parameters using SIR [Signal to Interference Ratio] or other wireless path parameters
    • H04W52/241—TPC being performed according to specific parameters using SIR [Signal to Interference Ratio] or other wireless path parameters taking into account channel quality metrics, e.g. SIR, SNR, CIR, Eb/lo
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W56/00—Synchronisation arrangements

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明提供了一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，属于无线传输领域。本方法一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，用于全双工中继网络，采用功率分流的中继收发机架构，全双工中继节点从收到的源节点的射频信号中采集能量，实现无线全双工信息中继；基于全部信息状态信息的功率分流：利用第一跳、第二跳和中继回路信道的状态信息，通过使端到端SINR最大化准则或使***的中断概率最小化准则来确定最优的功率分流比率；或者基于部分信息状态信息的功率分流：利用第一跳和中继回路信道的状态信息，通过使端到端SINR最大化准则或使***的中断概率最小化准则来确定最优的功率分流比率。

Description

一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法
技术领域
本发明属于无线传输领域，具体涉及一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法。
背景技术
在物理条件或经济因素受限的无线应用场景中，能量采集技术已经成为无线协作通信和无线传感网络中最重要的使能技术之一。通过从周遭环境的射频信号中进行EH，能量有限的中继或传感节点可以避免周期性的电源充电或电池更换，这对大规模部署无线传感网络具有重大现实意义。考虑到射频信号可以同时携带信息和能量的现象，文献“Wireless information and power transfer:Architecture design and rate-energytradeoff,”(X.Zhou,R.Zhang,and C.K.Ho,IEEE Trans.Commun.,vol.61,no.11,pp.4754–4767,Nov.2013.)提出了基于时间切换(time switching,TS)和基于功率分流(powersplitting,PS)的两种切合实际***的接收机架构，并在无线信息与能量(功率)同步传输(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)技术中得到广泛采用。
在无线中继网络中，SWIPT不仅使能量有限的中继节点能够长期保持激活状态，而且实现了远距离或跨越障碍的无线信息中继。针对这一应用前景，Nasir等人提出了两类中继协议，即基于时间切换的中继(TS-Based Relaying,TSR)协议和基于功率分流的中继(PS-Based Relaying,PSR)协议。针对空域随机分布中继的协作网络，文献“Wirelessinformation and power transfer in cooperative networks with spatially randomrelays,”(Z.Ding,I.Krikidis,B.Sharif,and H.V.Poor,IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.13,no.8,pp.4440–4453,Aug.2014)研究了SWIPT的中断性能与分集性能。针对干扰中继网络，文献[13]提出了基于分布式功率分流的SWIPT。针对存在多个源-目的节点对的中继网络，文献“Power allocation strategies in energy harvesting wirelesscooperative networks,”(Z.Ding,S.M.Perlaza,I.Esnaola,and H.V.Poor,IEEETrans.Wireless Commun.,vol.13,no.2,pp.846–860,Feb.2014)提出了数种功率分配方法。目前，天线切换和天线选择技术也在中继网络SWIPT中得到应用。针对半双工的放大转发(Amplify-and-Forward,AF)中继网络，文献“Dynamic power splitting policies forAF relay networks with wireless energy harvesting,”(L.Hu,C.Zhang,and Z.Ding,in Proc.IEEE ICC 2015,London,UK,8-12,June 2015,pp.1–5)提出了一种基于功率分配的SWIPT中继技术。由于全双工中继的接收与发射不单独占用时/频信道，其频谱效率相比半双工中继有显著提高，针对全双工中继网络的SWIPT因此受到重视。通过独立的接收/发射天线分别进行信息中继和EH，文献“Full-duplex wireless-powered relay withselfenergy recycling,”(Y.Zeng and R.Zhang,IEEE Wireless Commun.Lett.,vol.PP,no.99,pp.1–1,2015)提出了一种免受自干扰的全双工中继方法。文献“Wirelessinformation and power transfer with full duplex relaying,”(C.Zhong,H.Suraweera,G.Zheng,I.Krikidis,and Z.Zhang,IEEE Trans.Commun.,vol.62,no.10,pp.3447–3461,Oct.2014)则提出了基于TSR协议的全双工中继SWIPT并对TS因子进行了优化设计。虽然PSR协议的性能优于TSR协议，但在目前的全双工中继SWIPT中，PSR协议还没有成功应用的先例。
现有功率分流方法只能应用于单跳通信***和半双工中继通信***的SWIPT，其频谱效率与全双工中继***相比较低。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，实现了基于功率分流的全双工中继的无线信息与能量同步传输，并且使***的中断概率最小化，使***的频谱效率得到很大提高。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，用于全双工中继网络，采用功率分流的中继收发机架构，全双工中继节点从收到的源节点的射频信号中采集能量，实现无线全双工信息中继；
基于全部信息状态信息的功率分流：利用第一跳、第二跳和中继回路信道的状态信息，通过使端到端SINR最大化准则或使***的中断概率最小化准则来确定最优的功率分流比率；
或者基于部分信息状态信息的功率分流：利用第一跳和中继回路信道的状态信息，通过使端到端SINR最大化准则或使***的中断概率最小化准则来确定最优的功率分流比率。
所述全双工中继网络包括源节点、目的节点以及全双工中继节点；
所述源节点与目的节点分别配置有单天线；所述全双工中继节点配置有接收天线和发射天线；
所述全双工中继节点的初始能量由其配置的电池提供，全双工中继节点从接收到的射频信号中采集能量，完成信息中继过程。
所述全双工中继节点采用基于AF策略的全双工中继节点。
所述全双工中继节点上设置有能量采集机和基带信号处理器，来自源节点的射频信号一部分被送入能量采集机，另一部分被送入基带信号处理器。
所述基于全部信息状态信息的功率分流是这样实现的：
假定中继节点可获得完整CSI，
S1：源节点发送信号；
S2：全双工中继节点接收信号；
S3：采用信道估计方法获得完整信道状态信息。
S4：计算四次方程的系数；
S5：确定四次方程；
S6：求解四次方程并确定功率分流比率ρ；
S7：全双工中继节点对接收到的射频信号按ρ：(1-ρ)进行功率分流；
S8：全双工中继节点的能量采集机进行能量采集，基带信号处理器进行基带信号处理，并利用采集的能量进行信号放大和转发；
S9：目的节点接收由全双工中继节点发来的信号。
所述S4是这样实现的：
按照下式计算四次方程的系数：
a0＝1+γSR，
a1＝-2(1+η|f|2)(1+γSR)，
a2＝γSR-ηγRD+η2f|f|4(1+γSR)+η|f|2(5+γSR(4-ηγRD))，
a3＝-2η|f|2(γSR+η|f|2(2+γSR)-η(1+γSR)γRD)，
a4＝η2|f|2(η|f|2+γSR)(|f|2-γRD).
其中，
γSR为源节点-中继节点信道间的信噪比
γRD为中继节点-目的节点信道间的信噪比
f为中继回路干扰信道
η为能量转换效率。
所述S5是这样实现的：
按照下式确定四次方程：
其中，Q1(ρ)为确定最优的功率分流比率的四次方程；
a1，a2，a3，a4，为计算确定的四次方程系数。
ρ为最佳功率分离比率。
所述S6是这样实现的：
通过Descartes-Euler-Cardano方法或Ferrari-Lagrange方法获得四次方程的解析解，然后通过下式确定功率分流比率：
其中，γRD为中继节点-目的节点信道间的信噪比
f为中继回路干扰信道。
所述基于部分信息状态信息的功率分流是这样实现的：
假定中继节点只能获得第一跳信道和中继回路信道的CSI，
N1：源节点发送信号；
N2：全双工中继节点接收信号；
N3：采用信道估计方法获得部分信道状态信息；
N4：；计算四次方程的系数并确定四次方程；
N5：求解四次方程并确定功率分流比率；
N6：全双工中继节点对接收信号按N5给出的功率分流比率进行功率分流；
N7：全双工中继节点的能量采集机进行能量采集，基带信号处理器进行基带信号处理，并利用采集的能量进行信号放大和转发；
N8：目的节点接收由中继节点发来的信号。
所述N4是这样实现的：
按照下式计算四次方程的系数：
c0＝γSR-γ0， (29a)
c1＝2ηγ0|f|2-2γSR(1+η|f|2(1+γ0))， (29b)
c2＝γSR(1+η|f|2(4+η|f|2(1+γ0))-η2γ0|f|4， (29c)
c3＝-2ηγSR|f|2(1+η|f|2)(1+γ0)， (29d)
c4＝η2γSR|f|4(1+γ0). (29e)
γSR为源节点-中继节点信道间的信噪比
f为中继回路干扰信道
η为能量转换效率；
然后按照下式确定四次方程：
Q2(ρ)＝c4ρ4+c3ρ3+c2ρ2+c1ρ+c0。
其中，Q2(ρ)为确定最优的功率分流比率的四次方程；
ρ为最佳功率分离比率。
所述N5是这样实现的：
通过Descartes-Euler-Cardano方法或Ferrari-Lagrange方法求解所述四次方程获得下面需要的三个根，然后按照下式确定功率分流比率：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了基于功率分流的全双工中继收发机架构，并用于全双工中继的无线信息与能量同步传输，实现了中继节点从接收到的源节点射频信号采集能量，从而减小了中继节点对电源供电或电池充电的依赖；并通过对信道状态信息的利用，设计了优化的功率分流比率，利用采集到的能量进行信号转发，实现了在整个传输时隙的全双工中继通信，极大地提高了无线中继通信***的频谱效率。
附图说明
图1.全双工中继***结构示意图
图2.中断概率vsγLI
图3.中断概率vs SNR
图4.中断概率vs d1
图5.本发明方法的步骤框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
由于PSR协议具有比TSR协议更佳的***性能，本发明针对全双工中继网络开展基于功率分流的SWIPT研究，提出了基于功率分流的全双工中继SWIPT的具体实现方法。为了使***的中断概率最小化，本发明分别设计了基于完整信道状态信息(Channel StateInformation,CSI)和基于部分CSI的功率分流方法；对这两种功率分流方法，给出了四次方程解析解形式的功率分流比率；在确定功率分流比率时，基于部分CSI的功率分流方法无需第二跳链路的CSI，极大地降低了CSI估计和反馈开销。仿真结果表明，本发明所提功率分流方法取得了优于固定功率分流方法的中断性能。此外，当中继节点位于源节点与目的节点的中间位置时，***的中断性能最差。而基于部分信道状态信息的功率分流方法在中继节点靠近目的节点时取得了与基于完整信道状态信息的功率分流方法一致的中断性能。
本发明提出了一种基于功率分流的无线信息与能量全双工同步传输方法。通过采用功率分流的中继收发机架构，中继节点从收到的源节点射频信号采集能量，实现了无线全双工信息中继。为使***的中断概率最小化，该方法根据完整信道状态信息和部分信道状态信息动态地优化功率分流比率。在存在强烈回路干扰的情况下，基于完整和部分信道状态信息的功率分流方法均取得了优于固定功率分流方法的中断性能，且基于部分信道状态信息的功率分流方法无需第二跳链路的信道状态信息。实验结果表明，位于源节点与目的节点中间位置的中继节点取得了最差的中断性能，而基于部分信道状态信息的功率分流方法在中继节点靠近目的节点时取得了与基于完整信道状态信息的功率分流方法一致的中断性能。
如图1所示的全双工中继网络，其中一个源节点期望发送其信息至一个目的节点。由于源节点和目的节点之间的距离较远或两者之间存在障碍物等因素，***采用一个基于AF策略的全双工中继节点来进行信息中继。在该***中，源节点与目的节点分别配置单天线，而中继节点配置了一根接收天线和一根发射天线。假定中继节点进行收发处理的初始能量由中继节点配置的电池提供，中继节点必须从接收到的射频信号中采集足够能量，从而支撑完整的信息中继过程。将源节点至中继节点与中继节点至目的节点的信道分别记为h和g，将中继节点自身的回路干扰信道记为f。假定所有信道满足准静态瑞利衰落，则信道增益|h|2，|g|2和|f|2满足指数分布，其均值可分别记为λh，λg和λx。通过采用基于请求发送/允许发送(request-to-send/clear-to-send，RTS/CTS)的信道估计方法，CSI可用于SWIPT的实现。本发明假定中继节点具有获取完整CSI或部分CSI的能力，功率分流比率可在中继节点进行计算和更新。
本发明方法在每一个传输块中，中继节点接收的信号按比例ρ∶1-ρ分成两部分，其中ρ(0＜ρ＜1)为功率分流比率。在本发明中，中继节点工作在全双工模式下，中继节点在同频带同时接收信号yr(t)和发射信号xr(t)，其送入EH接收机的信号可表示为
其中，s(t)是源节点发送信号，Ps是源节点发射功率，d1是源节点与中继节点之间的距离，m是路径衰减指数。中继节点采集的能量为
其中是中继节点发射功率，T是每一传输块的时长，η(0＜η＜1)是能量转换效率系数，该系数取决于整流和能量采集电路[9]。在中继节点，基带采样信号可以记为
其中，k为符号标号，s(k)是s(t)的采样信号，xr(k)是xr(t)的采样信号，nr(k)是均值为零反差为σ2的加性白高斯噪声(additive white Gaussian noises,AWGN)。在式(3)中，等号右边第二项为中继节点的回路干扰。本发明方法利用收集到的能量，中继节点对其接收信号进行放大并转发，其转发信号可表示为
其中，β为中继增益，τ≥1是中继节点的处理延迟。通过对式(3)和式(4)进行迭代替换，可以将中继节点的发射信号表示为
目的节点接收到的基带信号可表示为
其中d2是从中继节点到目的节点的距离，nd(k)是均值为零方差为σ2的AWGN。将式(5)代入式(6)，可得到
对接收到信号yd(k)，目的节点可采用任一标准检测程序对s(k-τ)进行检测，则上式中的第2和第3项为非期望的干扰和噪声。
端到端的SINR具体如下：
本发明依据非振摆条件推导中继传输端到端的信号功率。假设所有信号与噪声相互独立，中继节点的发射功率可依式(5)表示为
为防止中继节点发生振摆和保证有限的中继发射功率，中继增益满足
在中继节点已收集能量Eh的情况下，最大的中继发射功率可表示为
实际的中继发射功率应小于或等于最大的中继发射功率，即
Pr≤Pmax. (11)
本发明将式(8)与式(10)代入式(11)，在最大中继发射功率约束下的中继增益满足
其中第一跳信道的信号噪声比(signal-to-noise ratio，SNR)定义为此外，由本发明提出的式(12)满足式(9)的非振摆条件。在信号和噪声相互独立的假设下，本发明依据式(6)可将目的节点的接收信号功率表示为本发明依据式(5)可将其进一步表示为期望信号、回路干扰信号和噪声之和，即:
根据式(13)，在本发明工作的***中，端到端的信号干扰噪声比(signal-to-interference-plus-noise-ratio，SINR)可表示为
其中第二跳信道的信噪比定义为
本发明中基于完整CSI的功率分流方法如下：
假定中继节点可获得完整CSI，本发明对基于完整CSI的功率分流进行设计。依据式(13)和(14)，端到端SINR的同β和ρ有着非常复杂的非线性关系。对中继控制参数设计目标是通过优化参数{β，ρ}使中断概率最小化。当完整CSI可利用的情况下，这一设计目标等同于使端到端的SINR最大化，因而优化的中继控制参数{β*，ρ*}可通过求解以下问题得到：
通过对γ针对参数{β，ρ}的Hessian矩阵分析可知，γ不是β和ρ的联合凸函数，这使的求解优化参数{β*，ρ*}变得异常困难。通常，可以采用遍历法对所有可能的{β，ρ}组合进行搜索。
依据中继的最大发射功率，本发明将中继增益设置为最大发射功率允许的最大值，即采用最大中继增益方法。对给定的任意ρ(0＜ρ＜1)，中继采集的能量和最大发射功率都为确定的数值，则中继增益可设置为
将式(16)代入式(14)，端到端SINR可以表示为
其中由上式，端到端SINR的最大化问题可转化为对ρ的优化。通过采用最大中继增益方法，可以验证由式(17)中给出γ变成ρ的凸函数。因此，可以通过求解来获得使端到端SINR最大的最优化功率分流比率。通过分析，方程可以被简化为Q1(ρ)＝0，其中
是一个具有标准形式的四次方程，其各项系数为
a0＝1+γSR，
a1＝-2(1+η|f|2)(1+γSR)，
a2＝γSR-ηγRD+η2|f|4(1+γSR)+η|f|2(5+γSR(4-ηγRD))，
a3＝-2η|f|2(γSR+η|f|2(2+γSR)-η(1+γSR)γRD)，
a4＝η2|f|2(η|f|2+γSR)(|f|2-γRD). (19)
对具有式(18)所示标准形式的四次方程，可通过Descartes-Euler-Cardano方法或Ferrari-Lagrange方法获得解析解(请参考S.Neumark，Solution of Cubic andQuartic Equations.Oxford，NY：Pergamon Press，1965)。考虑到约束条件0＜ρ＜1，优化的功率分流比率由下式给出：
如图5所示，在实施本发明中的基于完整信道状态信息的功率分流方法时，按以下步骤进行：
步骤1：源节点发送信号
步骤2：中继节点接收信号
步骤3：采用信道估计方法，即基于请求发送/允许发送(request-to-send/clear-to-send，RTS/CTS)的信道估计方法，获得完整信道状态信息。
步骤4：按式(19)计算四次方程的系数。
步骤5：按式(18)确定四次方程。
步骤6：求解式(18)的四次方程并按式(20)确定功率分流比率ρ。
步骤7：中继节点对接收信号按步骤6给出的比率ρ∶(1-ρ)进行功率分流
步骤8：中继节点的能量采集机进行能量采集，信号处理机进行基带信号处理，并利用采集的能量进行信号放大和转发。
步骤9：目的节点接收由中继节点发来的信号。
基于部分CSI的功率分流方法具体如下：
由于第二跳信道的CSI只能在目的节点进行估计，对第二跳信道CSI的反馈开销限制了基于完整信道CSI的功率分流方法的应用。有鉴于此，本发明还基于部分CSI，即假定中继节点只能获得第一跳信道和中继回路信道的CSI，对功率分流比率进行优化设计。在部分CSI的条件下，功率分流比率的优化问题是找到一个使条件中断概率最小的功率分流比率，即：
其中γ0是***期望的目标SINR。
将方程(17)代入Pout＝Pr(γ＜γ0|h，f)，则条件中断概率可表示为
其中，G1(ρ)＝a|h|2+b，G2(ρ)＝c|h|4+d|h|2且有
由于|g|2始终大于一个负数，当为负数时，式(22)中的Pout变成1。因此，通过观察的正负号并考虑约束0＜ρ＜1和0＜η＜1，Pout可以被简化为
其中， 在式(24)中，当Pout＝1时，可设置ρ＝1，从而使中继尽可能多地采集能量。当***的设计目标是找到优化的条件中断概率。将0＜ρ＜1代入F1和H1，CSI约束{|f|2＜F1and|h|2＞H1}可以表示为
ρ＜ρ1和C1， (25)
其中，
C1代表当CSI满足约束C1时，应该在区间Ω1＝{ρ|0＜ρ＜ρ1}中找寻优化的功率分流比率。当CSI满足约束或时，应该在区间Ω2＝{ρ|ρ1＜ρ＜1}或中找寻优化的功率优化比率。基于此观察，当CSI满足约束Ci(i＝1，2，3)时，条件的中断概率可以计算为
由于使最小化等同于使最大化，则优化的功率分流比率可以从以下优化问题求解获得：
考虑到G(ρ)在区间Ci(i＝1，2，3)内为凸函数，优化解可通过求解方程得到。由于具有非常复杂的表示式，优化解的闭合形式难以获得。然而，G(ρ)具有高SINR条件下的近似取值因此可通过求解来获得优化解。经过数学运算，优化的功率分流比率由下式给出：
其中，Q2(ρ)＝c4ρ4+c3ρ3+c2ρ2+c1ρ+c0是一个四次方程且有
c0＝γSR-γ0， (29a)
c1＝2ηγ0|f|2-2γSR(1+η|f|2(1+γ0))， (29b)
c2＝γSR(1+η|f|2(4+η|f|2(1+γ0))-η2γ0|f|4， (29c)
c3＝-2ηγSR|f|2(1+η|f|2)(1+γ0)， (29d)
c4＝η2γSR|f|4(1+γ0). (29e)
在计算上述的功率分流比率时，中继需要知道h和f。通过采用基于RTS/CTS的信道估计方法，在进行传输之前，***可确定功率分流比率。
在实施本发明中的基于部分信道状态信息的功率分流方法时，按以下步骤进行：
步骤1：源节点发送信号
步骤2：中继节点接收信号
步骤3：采用信道估计方法获得部分信道状态信息。
步骤4：按式(29)计算四次方程的系数并确定四次方程。
步骤5：求解步骤4给出的四次方程并按式(28)确定功率分流比率。
步骤6：中继节点对接收信号按步骤5给出的比率进行功率分流
步骤7：中继的节点的能量采集机进行能量采集，信号处理机进行基带信号处理，并利用采集的能量进行信号放大和转发。
步骤8：目的节点接收由中继节点发来的信号。
下面通过实验结果来说明本发明的效果：
通过实验结果对本发明所提出的功率分流方法进行验证。在实验中，源节点的传输速率为R＝3bps/Hz，导致中断发生的端到端SINR门限设置为γ0＝2R-1，中继节点的能量采集效率设置为η＝0.4。信道增益的均值设定为λh＝λg＝1，回路干扰信道的平均干扰噪声比(INR)设定为信道的路径损失因子设为m＝3。源节点的发射信噪比(SNR)定义为在实验中，所提功率分流方法与文献[3]的固定功率分流方法进行了对比。
图2给出了中断概率随INR变化的曲线图。在图2中，源节点的发射功率是35dB。在实际的全双工中继***中，由于中继节点受到极强的回路干扰，其***性能将极大地降低。从图2可看到，固定功率分流比率方法的中断概率在高INR区域极速上升，本发明所提出的基于完整CSI和部分CSI的功率分流方法取得了较固定功率分流方法更优的中断性能。在图2中，当中断概率处于10-1水平时，基于完整CSI的功率分流方法相比固定ρ＝0.7的方法取得了大约5.5dB的INR增益，相比固定ρ＝0.5的方法取得了大约4.5dB的INR增益，相比ρ＝0.3的方法取得了大约3.5dB的INR增益。在中低INR范围，虽然基于完整CSI的方法取得了优于基于部分CSI方法的中断性能，当二者中断性能之间的差距较小。这表明在需求较少CSI估计开销的基于部分CSI的方法，可以接近基于完整CSI的方法的中断性能。
图3给出了中断概率随源节点发射SNR变化的曲线。在实验中，设置回路干扰INR为γLI＝40dB。从图3可看出，本发明所提出的基于完整CSI的功率分流方法取得了最好的中断性能。例如，在中断概率处于10-2水平时，基于完整CSI的功率分流方法相比固定ρ＝0.7的方法取得了大约4.5dB的SNR增益，相比固定ρ＝0.5的方法取得了3dB的SNR增益，相比ρ＝0.3的方法取得了1.8dB的SNR增益。当源节点发射SNR变得很高时，本发明所提出的功率分流方法和固定功率分流方法之间的中断性能差距减小到一个较稳定的较小差值。此外，基于部分CSI的功率分流方法取得了与基于完全CSI的方法非常接近的中断性能。由于基于部分CSI的方法无需第二跳链路的CSI，因而该方法更适合与***开销较少的***。
图4给出了中断概率随中继位置变化的曲线。在实验中，设置SNR＝45dB，γLI＝35dB，d1+d2＝2且d1从0.1变化到0.9。如图4所示，最大的中断概率发生在d1＝1处。因此，中继节点应该放置在靠近源节点或目的节点的位置，从而减小中断概率。在图4中，本发明所提的基于完整CSI的功率分流方法取得了最佳的中断性能。当中继节点靠近目的节点放置时，基于部分CSI的功率分流方法取得了与基于完整CSI方法几乎一致的中断性能。造成此现象的原因在于：对基于部分CSI的功率分流方法，端到端的SINR主要取决于采集的能量和回路干扰；当中继节点远离源节点时，基于CSI的功率分流方法仅依据第一跳信道和回路干扰信道的CSI来计算功率分流比率。这一实验结果表明：基于部分CSI的功率分流方法更适合于将中继节点放置于靠近目的节点的位置。
本发明针对全双工中继网络中的无线信息与能量同步传输，提出了基于完全CSI和基于部分CSI的功率分流方法。这两种功率分流方法在存在强烈的回路干扰的情况下，对功率分流比率优化，从而使***的中断概率最小化。实验结果表明，本发明提出的两种功率分流方法取得了比固定功率分流比率方法更优的中断性能。在只需更小的***开销的情况下，基于部分CSI的功率分流方法可取得接近与基于完整CSI方法的中断性能。对所发明的这两种功率分流方法，当中继节点位于源节点与目的节点的中间位置时，***取得最差的中断性能。对基于部分CSI的功率分流方法，当中继节点靠近目的节点时，可以取得与基于完全CSI方法几乎一致的中断性能。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，用于全双工中继网络，其特征在于：采用功率分流的中继收发机架构，全双工中继节点从收到的源节点的射频信号中采集能量，实现无线全双工信息中继；
基于全部信息状态信息的功率分流：利用第一跳、第二跳和中继回路信道的状态信息，通过端到端SINR最大化准则或***的中断概率最小化准则确定最优的功率分流比率确定最优的功率分流比率；
或者基于部分信息状态信息的功率分流：利用第一跳和中继回路信道的状态信息，通过端到端SINR最大化准则或***的中断概率最小化准则确定最优的功率分流比率确定最优的功率分流比率。
2.根据权利要求1所述的全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，其特征在于：所述全双工中继网络包括源节点、目的节点以及全双工中继节点；
所述源节点与目的节点分别配置有单天线；所述全双工中继节点配置有接收天线和发射天线；
所述全双工中继节点的初始能量由其配置的电池提供，全双工中继节点从接收到的射频信号中采集能量，完成信息中继过程。
3.根据权利要求2所述的全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，其特征在于：所述全双工中继节点采用基于AF策略的全双工中继节点。
所述全双工中继节点上设置有能量采集机和基带信号处理器，来自源节点的射频信号一部分被送入能量采集机，另一部分被送入基带信号处理器。
4.根据权利要求3所述的全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，其特征在于：所述基于全部信息状态信息的功率分流是这样实现的：
假定中继节点可获得完整CSI，
S1：源节点发送信号；
S2：全双工中继节点接收信号；
S3：采用信道估计方法获得完整信道状态信息；
S4：计算四次方程的系数；
S5：确定四次方程；
S6：求解四次方程并确定功率分流比率ρ；
S7：全双工中继节点对接收到的射频信号按ρ：(1-ρ)进行功率分流；
S8：全双工中继节点的能量采集机进行能量采集，基带信号处理器进行基带信号处理，并利用采集的能量进行信号放大和转发；
S9：目的节点接收由全双工中继节点发来的信号。
5.根据权利要求4所述的全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，其特征在于：所述S4是这样实现的：
按照下式计算四次方程的系数：
a0＝1+γSR，
a1＝-2(1+η|f|2)(1+γSR)，
a2＝γSR-ηγRID+η2|f|4(1+γSR)
+η|f|2(5+γSR(4-ηγRD))，
a3＝-2η|f|2(γSR+η|f|2(2+γSR)-η(1+γSR)γRID)，
a4＝η2|f|2(η|f|2+γSR)(|f|2-γRD).
其中，
γSR为源节点-中继节点信道间的信噪比
γRD为中继节点-目的节点信道间的信噪比
f为中继回路干扰信道
η为能量转换效率。
6.根据权利要求5所述的全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，其特征在于：所述S5是这样实现的：
按照下式确定四次方程：
Q 1 ( ρ ) = Δ a 4 ρ 4 + a 3 ρ 3 + a 2 ρ 2 + a 1 ρ + a 0
其中，Q1(ρ)为确定最优的功率分流比率的四次方程；
a1，a2，a3，a4，为计算确定的四次方程系数，
ρ为最佳功率分离比率。
7.根据权利要求6所述的全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，其特征在于：所述S6是这样实现的：
通过Descartes-Euler-Cardano方法或Ferrari-Lagrange方法获得四次方程的解析解，然后通过下式确定功率分流比率：
其中，γRD为中继节点-目的节点信道间的信噪比
f为中继回路干扰信道。
8.根据权利要求3所述的全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，其特征在于：所述基于部分信息状态信息的功率分流是这样实现的：
假定中继节点只能获得第一跳信道和中继回路信道的CSI，
N1：源节点发送信号；
N2：全双工中继节点接收信号；
N3：采用信道估计方法获得部分信道状态信息；
N4：；计算四次方程的系数并确定四次方程；
N5：求解四次方程并确定功率分流比率ρ；
N6：全双工中继节点对接收信号按ρ：(1-ρ)进行功率分流；
N7：全双工中继节点的能量采集机进行能量采集，基带信号处理器进行基带信号处理，并利用采集的能量进行信号放大和转发；
N8：目的节点接收由中继节点发来的信号。
9.根据权利要求8所述的全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，其特征在于：所述N4是这样实现的：
按照下式计算四次方程的系数：
c0＝γSR-γ0， (29a)
c1＝2ηγ0|f|2-2γSR(1+η|f|2(1+γ0))， (29b)
c2＝γSR(1+η|f|2(4+η|f|2(1+γ0))-η2γ0|f|4 (29c)
c3＝-2ηγSR|f|2(1+η|f|2)(1+γ0)， (29d)
c4＝η2γSR|f|4(1+γ0). (29e)
γSR为源节点-中继节点信道间的信噪比
f为中继回路干扰信道
η为能量转换效率；
然后按照下式确定四次方程：
Q2(ρ)＝c4ρ4+c3ρ3+c2ρ2+c1ρ+c0。
其中，Q2(ρ)为确定最优的功率分流比率的四次方程；
ρ为最佳功率分离比率。
10.根据权利要求9所述的全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法，其特征在于：所述N5是这样实现的：
按照下式确定功率分流比率：
CN201610942624.4A 2016-11-01 2016-11-01 一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法 Expired - Fee Related CN106487482B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610942624.4A CN106487482B (zh) 2016-11-01 2016-11-01 一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610942624.4A CN106487482B (zh) 2016-11-01 2016-11-01 一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106487482A true CN106487482A (zh) 2017-03-08
CN106487482B CN106487482B (zh) 2019-06-14

Family

ID=58271340

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610942624.4A Expired - Fee Related CN106487482B (zh) 2016-11-01 2016-11-01 一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106487482B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108512579A (zh) * 2018-03-14 2018-09-07 广西师范大学 基于eh-mimo通信***的天线选择方法
CN108847722A (zh) * 2018-06-27 2018-11-20 广东工业大学 一种多天线能量传输设备、方法和装置
CN109474297B (zh) * 2018-12-28 2020-07-14 华侨大学 一种全双工信能同传天线模式切换收发机及收发方法
CN111586613A (zh) * 2020-05-10 2020-08-25 吉林大学 基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输方法
CN112822750A (zh) * 2021-01-06 2021-05-18 山东交通学院 一种大规模无人机网络情绪驱动分布式中继选择方法
CN113490238A (zh) * 2021-05-31 2021-10-08 南京邮电大学 面向fd多中继协作swipt网络的中继选择优化方法
CN114980335A (zh) * 2022-05-23 2022-08-30 西安邮电大学 无线能量收集全双工多中继***的信息传输方法
CN117560049A (zh) * 2023-05-11 2024-02-13 武汉能钠智能装备技术股份有限公司四川省成都市分公司 一种卫星地面站中继转发***

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105610485A (zh) * 2015-12-21 2016-05-25 东南大学 一种无线中继通信***携能传输方法
CN105634541A (zh) * 2015-12-29 2016-06-01 北京邮电大学 全双工携能通信方法及节点
CN105682238A (zh) * 2016-03-31 2016-06-15 西安电子科技大学 中继***中数据传输功率的最优分配方法
US20160285518A1 (en) * 2015-03-25 2016-09-29 South University Of Science And Technology Of China Transmitting method and receiving method for simultaneous information and energy transfer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160285518A1 (en) * 2015-03-25 2016-09-29 South University Of Science And Technology Of China Transmitting method and receiving method for simultaneous information and energy transfer
CN105610485A (zh) * 2015-12-21 2016-05-25 东南大学 一种无线中继通信***携能传输方法
CN105634541A (zh) * 2015-12-29 2016-06-01 北京邮电大学 全双工携能通信方法及节点
CN105682238A (zh) * 2016-03-31 2016-06-15 西安电子科技大学 中继***中数据传输功率的最优分配方法

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108512579A (zh) * 2018-03-14 2018-09-07 广西师范大学 基于eh-mimo通信***的天线选择方法
CN108512579B (zh) * 2018-03-14 2021-02-05 广西师范大学 基于eh-mimo通信***的天线选择方法
CN108847722A (zh) * 2018-06-27 2018-11-20 广东工业大学 一种多天线能量传输设备、方法和装置
CN108847722B (zh) * 2018-06-27 2021-08-13 广东工业大学 一种多天线能量传输设备、方法和装置
CN109474297B (zh) * 2018-12-28 2020-07-14 华侨大学 一种全双工信能同传天线模式切换收发机及收发方法
CN111586613A (zh) * 2020-05-10 2020-08-25 吉林大学 基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输方法
CN112822750A (zh) * 2021-01-06 2021-05-18 山东交通学院 一种大规模无人机网络情绪驱动分布式中继选择方法
CN113490238A (zh) * 2021-05-31 2021-10-08 南京邮电大学 面向fd多中继协作swipt网络的中继选择优化方法
CN113490238B (zh) * 2021-05-31 2023-08-22 南京邮电大学 面向fd多中继协作swipt网络的中继选择优化方法
CN114980335A (zh) * 2022-05-23 2022-08-30 西安邮电大学 无线能量收集全双工多中继***的信息传输方法
CN114980335B (zh) * 2022-05-23 2023-04-18 西安邮电大学 无线能量收集全双工多中继***的信息传输方法
CN117560049A (zh) * 2023-05-11 2024-02-13 武汉能钠智能装备技术股份有限公司四川省成都市分公司 一种卫星地面站中继转发***

Also Published As

Publication number Publication date
CN106487482B (zh) 2019-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106487482A (zh) 一种全双工中继无线信息与能量同步传输的功率分流方法
Si et al. On the performance of cognitive relay networks under primary user's outage constraint
Gu et al. An adaptive transmission protocol for wireless-powered cooperative communications
Chen et al. Wireless-powered cooperative communications via a hybrid relay
CN104507137A (zh) 一种适用于信能同传中继网络能量意识的中继选择方法
CN103415077A (zh) 一种联合中继选择和功率分配的方法和***
CN102802241B (zh) 一种高能效无线中继选择方法
Guo et al. A wireless sensor network for monitoring smart grid transmission lines
Zhang et al. Optimization of relay-based cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks
CN111132263B (zh) 全双工目的端加扰的非可信能量采集中继传输方法和***
CN104243059A (zh) 一种基于无线局域网的中继传输***及优化方法
Tang et al. Cooperative spectrum sharing in spectrum domain with discrete time energy harvesting for primary user
CN105554894B (zh) 移动网络中h2h和m2m终端发射功率协同控制方法
CN115118369A (zh) 一种基于干扰影响下的无线携能双向中继***性能分析方法
Lavi et al. Vehicular relay nodes for cellular deployments: Uplink channel modeling and analysis
Chen et al. Resource allocation algorithm for IoT communication based on ambient backscatter
Wu et al. Energy efficient 5g lora ad-hoc network for smart grid communication
Tian et al. Power allocation and partner selection for energy efficient decode and forward cooperation in wideband wireless sensor networks
Brante et al. Battery-aware energy efficiency of incremental decode-and-forward with relay selection
CN102415167B (zh) 分配下行传输功率的方法及相应的装置
Dimić et al. Energy efficiency of supportive relay with a novel wireless transmitter power consumption model
Sun et al. Energy efficient transmission and optimal relay location for two-way relay systems
Tran et al. On the performance of regenerative relaying for SWIPT in NOMA systems
Wang et al. Performance comparison of in-band full-duplex and half-duplex two-hop relaying with channel estimation errors
Hossain et al. Decode-and-forward cooperative communications: Performance analysis with power constraints in the presence of timing errors

Legal Events

Date Code Title Description
C06 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
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20190614

Termination date: 20191101

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee