一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供了一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法及装置，采用全双工通信方式，通过对源节点及中继节点设计波束赋形因子，以降低全双工通信过程中产生的自干扰，提高网络的吞吐量；源节点一方面从中继节点发送的信号中获得能量，另一方面从它本身发送的信号中获得能量，可以提高源节点自身的能效。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信
，特别是涉及一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法及装置。
技术介绍
能源与环境问题是当前全球共同面临的挑战。信息通信技术产业的碳排放及能耗所占的比例迅速增长，无线通信行业在节能减排方面占据重要的位置。因此，低碳、健康、高效的绿色通信系统日益引起人们的关注，具有良好的应用前景。作为风能、太阳能等传统能源的替代，射频被视为一种新的可行的能量来源。将射频能量转化为电能的射频能量收集技术，是一种具有提供永久、便捷的能量供给潜力的技术，被视为解决能量受限的无线网络的能量短缺问题的关键技术，符合绿色通信的标准。因此，无线供能通信网络，即基站利用下行链路传输能量并且解码用户通过上行链路传输信息，吸引了越来越多人的兴趣。随着技术的发展，中继技术、全双工技术与射频能量收集技术的结合提高了射频能量收集技术的性能与应用范围。中继技术解决了无线传能技术(wirelesspowertransfer)的应用距离问题，使得无线传能技术具有实现意义。通过使用中继节点，协作中继技术可以帮助克服信道衰落，提高了网络的效能和可靠性。通常中继网络采用的是半双工模式。半双工中继工作方式本身导致了频谱效率的巨大损失，而解决这一问题的一个具有很大前景的方案就是使用全双工中继，中继节点可以使用相同频段同时接收和发送信号。但是，由于回路干扰(loopbackinterference)的强度极高，信息的同时发送和接收实现起来比较困难。现有WPCN(无线充能通信网络)的信息和能量传输方法为一种两段式传输协议，该模式是半双工模式，即将基站的一个传输时隙分为两个子时隙，在第一个子时隙内，基站(中继节点)利用下行链路对用户(源节点)进行无线充能；并在第二个时隙内，基站作为中继节点协助源节点向目的节点传输信息。网络中节点均配置单天线，源节点采取先收集能量再传输信息的工作模式。但是上述传输方法存在以下问题：首先，现有技术采用半双工传输模式，导致网络整体吞吐量不高；其次，现有技术的传输协议只适用于半双工传输模式，不适用于全双工传输模式。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法及装置，以提高网络的吞吐量及能效。具体技术方案如下：第一种方案：一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法，应用于无线供能通信网络中全双工的源节点，所述无线供能通信网络中还包括全双工的中继节点和目的节点，所述方法包括：获得待发送信号，采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形得到第一信号；将第一信号通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送至中继节点，以使中继节点通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收所述第一信号；通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收第一信号，从第一信号中获得能量信息；通过所述第一接收天线接收由中继节点发送的第二信号，从第二信号中获得能量信息；所述的第二信号为：所述中继节点采用预设的第二波束赋形向量对所述第一信号进行波束赋形获得的，并通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线发送至目标节点和源节点的信号。第二种方案：一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法，应用于无线供能通信网络中全双工的中继节点，所述无线供能通信网络中还包括全双工的源节点和目的节点，所述方法包括：通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收源节点发送的第一信号；所述第一信号为源节点采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形获得的、并通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送的信号；采用预设的第二波束赋形向量对第一信号进行波束赋形得到第二信号；通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线将所述第二信号发送至源节点和目标节点，以使源节点通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收所述第二信号，并从所述第二信号中获得能量。优选的，所述的第一波束赋形向量为：wsopt=ηPm|h~rsvr|B-1hsrH||B-1/2hsrH||,]]>其中，η表示能量收集电路的能量转化效率，Pm表示中继节点的发送功率，hrs表示中继节点到源节点的信道，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵，hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，分别表示hsr，hss的共轭转置，hsr表示源节点到中继节点的信道，hss表示源节点自身的环状信道；所述的第二波束赋形向量为：wropt=aroptNrvropt,]]>其中，ar表示功率放大因子，vr表示波束控制向量，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵。优选的，所述的第一波束赋形向量通过如下步骤计算获得：中继节点接收到的信号表示为：yr(n)＝hsrwsxs(n)+hrrxr(n)+nr(n)，其中n表示第n个通信块，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，xs(n)表示源节点发送的数据，hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，xr(n)表示中继节点发送的数据，nr(n)表示中继节点接收到的噪声信号；中继节点发送的信号表示为：xr(n)＝wryr(n-ω)＝wrhsrwsxs(n-ω)+wrhrrxr(n-ω)+wrnr(n-ω)，其中，wr表示中继节点的第二波束赋形向量，ω表示中继系节点处理信息的时间，yr(n-ω)表示在n-ω这一时刻中继节点接收到的信号，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，ω表示中继节点处理时延，xs(n-ω)表示在n-ω这一时刻源节点发送的信息，xr(n-ω)表示在n-ω这一时刻中继节点发送的数据，nr(n-ω)表示n-ω这一时刻在中继节点的加性噪声；代入hrrwrr＝0，中继节点发送的信号表示为：xr(n)＝wrhsrwsxs(n-ω)+wrnr(n-ω)；目的节点接收到的信号表示为：yd(n)=hrdxr(n)+nd(n)=hrdwrhsrwsxs(n-ω)+n~d(n),]]>其中，表示目的节点的噪声；源节点接收到的信号表示为：ys(n)＝hsswsxs(n)+hrsxr(n)+ns(n)＝hsswsxs(n)+hrswrhsrwsxs(n-ω)+hrswrnr(n-ω)+ns(n)，其中，xs(n)表示源节点发送的数据，xs(n-ω)表示在n-ω这一时刻源节点发送的信息，nr(n-ω)表示n-ω这一时刻在中继节点的加性噪声，ns(n)表示源节点接收到的噪声信号；每个通信块内源节点获得的总能量表示为：ES=ηT(|hssws|2+|hrswrhsrws|2+δr2|hrswr|2),]]>其中，0<η≤1表示源节点的能量收集效率，T代表每个通信块的持续时间，表示中继节点接收天线处的加性噪声的方差；网络吞吐量表示为：R＝log2(1+SNR)，其中，SNR表示端到端的信噪比；要使网络吞吐量最大，系统端到端的信噪比最大化公式表示为：maxws,wrSNR=|hrdwr|2|hsrws|2δr2|hrdwr|2+δd2]]>subjecttohrrwr=00≤Ps=||ws||2≤Es/T|wrhsrws|2+δr2||wr||2≤Pm,---(1)]]>其中，hrd表示中继节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法，其特征在于，应用于无线供能通信网络中全双工的源节点，所述无线供能通信网络中还包括全双工的中继节点和目的节点，所述方法包括：获得待发送信号，采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形得到第一信号；将第一信号通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送至中继节点，以使中继节点通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收所述第一信号；通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收第一信号，从第一信号中获得能量信息；通过所述第一接收天线接收由中继节点发送的第二信号，从第二信号中获得能量信息；所述的第二信号为：所述中继节点采用预设的第二波束赋形向量对所述第一信号进行波束赋形获得的，并通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线发送至目标节点和源节点的信号。

【技术特征摘要】
1.一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法，其特征在于，应用于无线供能通信网络中全双工的源节点，所述无线供能通信网络中还包括全双工的中继节点和目的节点，所述方法包括：获得待发送信号，采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形得到第一信号；将第一信号通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送至中继节点，以使中继节点通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收所述第一信号；通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收第一信号，从第一信号中获得能量信息；通过所述第一接收天线接收由中继节点发送的第二信号，从第二信号中获得能量信息；所述的第二信号为：所述中继节点采用预设的第二波束赋形向量对所述第一信号进行波束赋形获得的，并通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线发送至目标节点和源节点的信号。2.根据权利要求1所述的在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法，其特征在于，所述的第一波束赋形向量为：wsopt=ηPm|h~rsvr|B-1hsrH||B-1/2hsrH||,]]>其中，η表示能量收集电路的能量转化效率，Pm表示中继节点的发送功率，hrs表示中继节点到源节点的信道，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵，hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，分别表示hsr，hss的共轭转置，hsr表示源节点到中继节点的信道，hss表示源节点自身的环状信道；所述的第二波束赋形向量为：wropt=aroptNrvropt,]]>其中，ar表示功率放大因子，vr表示波束控制向量，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵。3.根据权利要求1所述的在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法，其特征在于，所述的第一波束赋形向量通过如下步骤计算获得：中继节点接收到的信号表示为：yr(n)＝hsrwsxs(n)+hrrxr(n)+nr(n)，其中n表示第n个通信块，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，xs(n)表示源节点发送的数据，hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，xr(n)表示中继节点发送的数据，nr(n)表示中继节点接收到的噪声信号；中继节点发送的信号表示为：xr(n)＝wryr(n-ω)＝wrhsrwsxs(n-ω)+wrhrrxr(n-ω)+wrnr(n-ω)，其中，wr表示中继节点的第二波束赋形向量，ω表示中继系节点处理信息的时间，yr(n-ω)表示在n-ω这一时刻中继节点接收到的信号，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，ω表示中继节点处理时延，xs(n-ω)表示在n-ω这一时刻源节点发送的信息，xr(n-ω)表示在n-ω这一时刻中继节点发送的数据，nr(n-ω)表示n-ω这一时刻在中继节点的加性噪声；代入hrrwrr＝0，中继节点发送的信号表示为：xr(n)＝wrhsrwsxs(n-ω)+wrnr(n-ω)；目的节点接收到的信号表示为：yd(n)=hrdxr(n)+nd(n)=hrdwrhsrwsxs(n-ω)+n~d(n),]]>其中，表示目的节点的噪声；源节点接收到的信号表示为：ys(n)＝hsswsxs(n)+hrsxr(n)+ns(n)＝hsswsxs(n)+hrswrhsrwsxs(n-ω)+hrswrnr(n-ω)+ns(n)，其中，xs(n)表示源节点发送的数据，xs(n-ω)表示在n-ω这一时刻源节点发送的信息，nr(n-ω)表示n-ω这一时刻在中继节点的加性噪声，ns(n)表示源节点接收到的噪声信号；每个通信块内源节点获得的总能量表示为：ES=ηT(|hssws|2+|hrswrhsrws|2+δr2|hrswr|2),]]>其中，0<η≤1表示源节点的能量收集效率，T代表每个通信块的持续时间，表示中继节点接收天线处的加性噪声的方差；网络吞吐量表示为：R＝log2(1+SNR)，其中，SNR表示端到端的信噪比；要使网络吞吐量最大，系统端到端的信噪比最大化公式表示为：maxws,wrSNR=|hrdwr|2|hsrws|2δr2|hrdwr|2+δd2]]>subjecttohrrwr=00≤Ps=||ws||2≤Es/T|wrhsrws|2+δr2||wr||2≤Pm,---(1)]]>其中，hrd表示中继节点到目的节点的信道，wr表示中继节点的第二波束赋形向量，hsr表示源节点到中继节点的信道，ws表示源节点的第一波束赋形向量，表示目的节点接收天线处的加性噪声的方差，表示中继节点接收天线处的加性噪声的方差；hrr表示中继节点经过时域自干扰消除之后剩余的干扰信道，PS表示源节点的发送功率，Es表示每个通信块内源节点接收到的总能量，Es的表达式为：其中0<η≤1表示源节点的能量收集效率，T表示每个通信块的持续时间，Pm表示中继节点的发送功率；将wr分解为wr＝arNrvr，其中ar表示功率放大因子，vr表示波束控制向量，Nr表示一个满足hrrNr＝0和的矩阵，由此，所述的最大化公式(1)转变成：maxws,wrSNR=ar2|hrdNrvr|2|hsrws|2ar2δr2|hrdNrvr|2+δd2]]>subjectto||vr||2=1ar2≤Pm|hsrws|2+δr2ar2≥||ws||2-η|hssws|2η|hrsNrvr|2(|hsrws|2+δr2),---(2)]]>保证可行性的情况下，ar的最优解为：aropt=Pm|hsrws|2+δr2,]]>将ar的最优解代入最大化公式(2)，得到最大化公式(3)：maxws,vrS(ws,vr)=Pm|hrdNrvr|2|hsrws|2Pmδr2|hrdNrvr|2+δd2|hsrws|2+δr2]]>subjectto||vr||2=1||ws||2≤η(|hssws|2+Pm|hrsNrvr|2),---(3)]]>vr表示为如下的参数：vr=xΠh~rsHh~rdH||Πh~rsHh~rdH||+1-x2Πh~rsH⊥h~rdH||Πh~rsH⊥h~rdH||,]]>其中0≤x≤1，表示的共轭转置，表示的共轭转置，η表示能量收集电路的能量转化效率，∏X表示向X的列空间正交投影，表示向X列空间的正交补投影，因此，最大化公式(3)等价于：max0≤x≤1f(x),]]>其中f(x)定义为：f(x)=maxwsS(ws,vr(x))]]>s.t.||ws||2≤η(|hssws|2+Pm|h~rsvr(x)|2),]]>由此，得出ws的全局最优值为：wsopt=ηPm|h~rsvr|B-1hsrH||B-1/2hsrH||,]]>其中并且分别表示hsr，hss的共轭转置；所述第二波束赋形向量通过如下步骤计算获得：将的表达式代入最大化公式(3)，得到函数f(x)的显性表达式：f(x)=Pma2b2(cx+d1-x2)2Pmb2+a2(c+d1x2-1)+δr2δd2x2,]]>其中，f(x)是一个单峰函数，用二分法得到x的最优解，因此vr的最优解为：vropt=xoptΠh~rsHh~rdH||Πh~rsHh~rdH||+1-xopt2Πh~rsH⊥h~rdH||Πh~rsH⊥h~rdH||,]]>结合所述的ar的最优解，得到wr的全局最优值为4.一种在无线供能通信网络中能量与信息的传输方法，其特征在于，应用于无线供能通信网络中全双工的中继节点，所述无线供能通信网络中还包括全双工的源节点和目的节点，所述方法包括：通过预设的仅用于接收信号的第二接收天线接收源节点发送的第一信号；所述第一信号为源节点采用预设的第一波束赋形向量对待发送信号进行波束赋形获得的、并通过预设的仅用于发送信号的第一发送天线发送的信号；采用预设的第二波束赋形向量对第一信号进行波束赋形得到第二信号；通过预设的仅用于发送信号的第二发送天线将所述第二信号发送至源节点和目标节点，以使源节点通过预设的仅用于接收信号的第一接收天线接收所述第二信号，并从所述第二信号中获得能量。5.根据权利要求4所述的一种在无线供能通信网络中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立华，张平，王智，王惠中，田辉，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11