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

本发明专利技术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最大化准则或使系统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最大化准则或使系统的中断概率最小化准则来确定最优的功率分流比率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传输领域，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。
技术介绍
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“Wirelessinformationandpowertransfer:Architecturedesignandrate-energytradeoff,”(X.Zhou,R.Zhang,andC.K.Ho,IEEETrans.Commun.,vol.61,no.11,pp.4754–4767,Nov.2013.)提出了基于时间切换(timeswitching,TS)和基于功率分流(powersplitting,PS)的两种切合实际系统的接收机架构，并在无线信息与能量(功率)同步传输(simultaneouswirelessinformationandpowertransfer,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-BasedRelaying,TSR)协议和基于功率分流的中继(PS-BasedRelaying,PSR)协议。针对空域随机分布中继的协作网络，文献“Wirelessinformationandpowertransferincooperativenetworkswithspatiallyrandomrelays,”(Z.Ding,I.Krikidis,B.Sharif,andH.V.Poor,IEEETrans.WirelessCommun.,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“Powerallocationstrategiesinenergyharvestingwirelesscooperativenetworks,”(Z.Ding,S.M.Perlaza,I.Esnaola,andH.V.Poor,IEEETrans.WirelessCommun.,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“DynamicpowersplittingpoliciesforAFrelaynetworkswithwirelessenergyharvesting,”(L.Hu,C.Zhang,andZ.Ding,inProc.IEEEICC2015,London,UK,8-12,June2015,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-duplexwireless-poweredrelaywithselfenergyrecycling,”(Y.ZengandR.Zhang,IEEEWirelessCommun.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“Wirelessinformationandpowertransferwithfullduplexrelaying,”(C.Zhong,H.Suraweera,G.Zheng,I.Krikidis,andZ.Zhang,IEEETrans.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系统和半双工中继通信系统的SWIPT，其频谱效率与全双工中继系统相比较低。
技术实现思路
本专利技术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，并且使系统的中断概率最小化，使系统的频谱效率得到很大提高。本专利技术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最大化准则或使系统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最大化准则或使系统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：按照下式本文档来自技高网...

【技术保护点】
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最大化准则或系统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最大化准则或系统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。

【技术特征摘要】
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最大化准则或系统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最大化准则或系统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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪武，
申请(专利权)人：山东交通学院，
类型：发明
国别省市：山东;37