一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法技术方案

本发明专利技术提供一种能够减轻硬件损伤的满足双向SWIPT系统在考虑实际硬件损伤条件下的资源分配方法，包括以下步骤，S1：构建信号传输模型；S2：构建优化公式；S3：依据硬件损伤下传输性能的上界值，采用基于松弛上界的低复杂度优化方法获取系统的时间分配值；S4：依据时间分配值获取功率分割比的闭式解。本发明专利技术的有益效果是,采用本发明专利技术的方法减轻了硬件损伤的影响,得到的性能曲线是理论曲线的近似解。

A Resource Allocation Method for Bidirectional SWIPT Relay System with Hardware Damage

The invention provides a resource allocation method for bidirectional SWIPT system which can reduce hardware damage and consider actual hardware damage, including the following steps: S1: constructing signal transmission model; S2: constructing optimization formula; S3: obtaining time allocation value of the system by using low complexity optimization method based on relaxation upper bound according to the upper bound value of transmission performance under hardware damage; According to the time allocation value, the closed-form solution of power division ratio is obtained. The beneficial effect of the invention is that the method of the invention reduces the influence of hardware damage, and the obtained performance curve is an approximate solution of the theoretical curve.

【技术实现步骤摘要】
一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法
本专利技术涉及通信系统
，具体涉及一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法。
技术介绍
由于相位噪声、I/Q不平衡性、非线性高功率放大等影响，实际中的设备往往遭受许多的硬件损伤，这些硬件损伤会导致信号扭曲变形、信号星座图失真，从而降低系统的传输性能。当分析系统性能的时候，传统分析方法通常预设硬件设计为不遭受硬件损伤的理想物理器件，或将这些损伤带来的影响考虑成接收机的一部分额外噪声，然而实际中的硬件损伤所带来的信号失真受收发功率影响，不能简单的作为白噪声处理，并且目前的技术手段还未能完全消除硬件损伤带来的影响，因此有必要针对硬件损伤影响下的传输设计展开研究。无线信息能量同传(SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer,SWIPT)是符合未来能量受限网络传输设计的一项重要传输技术。该技术通过对同一射频信息进行能量收集和信息处理，使得能为无线系统同时提供可控、有效的能量传输和信息传输，并且不需要对传输和接收机进行大程度的硬件改动。目前，该技术在双向中继传输网络中的应用研究已获得大量研究者的关注，但是大部分研究考虑理想硬件情况，还未有人针对实际硬件损伤下的双向SWIPT传输性能展开研究。同时，考虑到硬件损伤下系统的传输性能会受到遏制，依靠传输射频信息供能的SWIPT系统沿用传统的考虑理想硬件状态的传输设计和资源分配方式会造成明显的性能损伤。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法，所述中继系统包含两个源节点S1、S2，和一个配置PS能量收集接收机的中继R，包括以下步骤：S1：构建信号传输模型，所述信号传输模型包括第一阶段传输模型和第二阶段传输模型，第一阶段传输模型包括，源节点S1、S2同时传输自身信息给中继R，中继接收到信息后，采用PS能量收集方案，将接收到的信息分为两部分，一部分用于能量收集，另一部分用于信息处理，第二阶段传输模型包括，中继依据收集到的能量将经解码处理后的信息广播给源节点S1、S2；S2：构建优化公式；S3：依据硬件损伤下传输性能的上界值，采用基于松弛上界的低复杂度优化方法获取系统的时间分配值；S4：依据时间分配值获取功率分割比的闭式解。进一步的，所述信号传输模型，包括，其中xi为源节点Si,i＝1,2未经硬件损伤的原始传输信息，E{|xi|2}＝Pi，为信源的发送功率，为Si的传输硬件损伤引入的失真噪声，表示信源Si的传输硬件损伤幅度，信息通过无线信道进行传输，接收端Sj收到的信号为其中，为接收端Sj的接收硬件损伤引入的失真噪声，为接收端Sj的接收硬件损伤幅度，Prec＝E{|hxi|2}＝|h|2Pi，为接收到的信号功率。进一步的，所述第一阶段传输模型包括，两个源节点同时传输信息给中继，中继接收到的信息为：yR＝h1(x1+τtx,1)+h2(x2+τtx,2)+τrx,r+nr其中，τtx,i为源端Si发射机引入的硬件损伤噪声，τrx,r为中继R接收机硬件损伤引入的失真噪声；所述第二阶段传输模型包括，中继依据PS能量收集将收集到的一部分信息转换为能量，另一部分信息进行信号处理，然后用收集到的能量广播经信息处理后的信息，此时，源节点Si,i＝1,2收到的信息为：其中，τtx,r为中继R发送机硬件损伤引入的失真噪声，τrx,i为源节点Si接收机硬件损伤引入的失真噪声。进一步的，还包括以下步骤，归一化双向传输的持续时间为1，采用以下公式获取中继处收集的能量，其中，t为第一传输阶段持续时间。进一步的，所述构建优化公式包括，s.t.C1:PR≤E/(1-t)C2:PR≤P0C3:0<t＜1C4:0<ρ＜1其中，Rsum＝R12+R21，R12＝R21≤min(t·C(Υ1r),(1-t)·C(Υr2),t·C(Υ2r),(1-t)·C(Υr1))，R12+R21≤t·C(Υma)，Υir、Υri、Υma分别为用户i-r、用户r-i以及第一阶段多址传输过程中遭受的失真信噪比，C1为中继发送功率的能量因果关系限制，C2为中继的最大传输功率限制，C3和C4分别为时间分配和功率分割比值的允许取值范围。进一步的，所述依据硬件损伤下传输性能的上界值，采用基于松弛上界的低复杂度优化方法获取系统的时间分配值包括，采用以下公式获取失真信噪比，采用以下公式获取第一跳传输的可达速率g1(t,ρ)＝t·min(2C(Υ1r),2C(Υ2r),C(Υma))：采用以下公式获取第二跳传输的可达速率g2(t,ρ)＝(1-t)·min(2C(Υr1),2C(Υr2))，g2(t,ρ)满足：进一步的，所述依据硬件损伤下传输性能的上界值，采用基于松弛上界的低复杂度优化方法获取系统的时间分配值包括，采用放缩法求g1(t,ρ)和g2(t,ρ)获取达到各自的松弛上界值时的t和ρ，获取放缩后的优化公式：s.t.t≤T1,t≤T2其中，采用以下公式获取时间分配值tup：进一步的，所述依据时间分配值获取功率分割比的闭式解采用以下公式,ρ*＝min(ρij,ρmj),i,j＝1,2，其中ρij,i,j＝1,2为tup·C(Υir)和(1-tup)·C(Υ″rj)的交点，ρmj,j＝1,2为tup·C(Υmac)和(1-tup)·2C(Υ″rj)的交点。本专利技术的有益效果是：本专利技术在进行传输模型建模时，充分考虑了实际中不可避免的硬件损伤问题，结合现有硬件损伤信号传输模型，构建了双向中继网络中的信息能量同传模型；然后在性能优化上，以满足传输公平性的最大化系统可达传输总速率为优化目标，联合优化了时间分配和功率分割比分配参数；在优化设计中，依据了硬件损伤系统特有的性能饱和性，设计了一种低复杂度的基于松弛上界的优化求解方法，采用本专利技术的方法减轻了硬件损伤的影响，得到的性能曲线是理论曲线的近似解。附图说明图1本专利技术一实施例硬件损伤下的能量收集双向中继传输和信号传输模型示意图；图2本专利技术一实施例流程示意图；图3本专利技术一实施例与理论仿真数据的仿真对比示意图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式作进一步阐述说明。术语解释：SWIPT(SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer)：无线信息能量同传。PS(PowerSplitting)：功率分割。DF(DecodeandForward)：解码转发。本专利技术一实施例选择半双工双向SWIPT中继网络为实施对象，它包含两个源节点S1、S2，和一个配置PS能量收集接收机的中继R。预设整个系统由于阴影衰落和传输阻挡等因素，直传链路无法使用，通信仅依赖于中继协助进行信息交换。同时，传输过程中每个节点均考虑了由于硬件损伤而引入的失真噪声。系统的传输和信号传输模型如图1所示。该模型中的信号传输模型给出硬件损伤下的信号传输模型如下：预设信源Si未经硬件损伤的原始传输信息为xi，则经硬件损伤影响后的传输信息变为：其中，E{|xi|2}＝Pi为信源的发送功率，为Si的传输硬件损伤引入的失真噪声，表示信源Si的传输硬件损伤幅度。信息通过无线信道进行传输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法，所述中继系统包含两个源节点S1、S2，和一个配置PS能量收集接收机的中继R，其特征在于，包括以下步骤：S1：构建信号传输模型，所述信号传输模型包括第一阶段传输模型和第二阶段传输模型，第一阶段传输模型包括，源节点S1、S2同时传输自身信息给中继R，中继接收到信息后，采用PS能量收集方案，将接收到的信息分为两部分，一部分用于能量收集，另一部分用于信息处理，第二阶段传输模型包括，中继依据收集到的能量将经解码处理后的信息广播给源节点S1、S2；S2：构建优化公式；S3：依据硬件损伤下传输性能的上界值，采用基于松弛上界的低复杂度优化方法获取系统的时间分配值；S4：依据时间分配值获取功率分割比的闭式解。

【技术特征摘要】
1.一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法，所述中继系统包含两个源节点S1、S2，和一个配置PS能量收集接收机的中继R，其特征在于，包括以下步骤：S1：构建信号传输模型，所述信号传输模型包括第一阶段传输模型和第二阶段传输模型，第一阶段传输模型包括，源节点S1、S2同时传输自身信息给中继R，中继接收到信息后，采用PS能量收集方案，将接收到的信息分为两部分，一部分用于能量收集，另一部分用于信息处理，第二阶段传输模型包括，中继依据收集到的能量将经解码处理后的信息广播给源节点S1、S2；S2：构建优化公式；S3：依据硬件损伤下传输性能的上界值，采用基于松弛上界的低复杂度优化方法获取系统的时间分配值；S4：依据时间分配值获取功率分割比的闭式解。2.如权利要求1所述的一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法，其特征在于，所述信号传输模型，包括，其中xi为源节点Si,i＝1,2未经硬件损伤的原始传输信息，E{|xi|2}＝Pi，为信源的发送功率，为Si的传输硬件损伤引入的失真噪声，表示信源Si的传输硬件损伤幅度，信息通过无线信道进行传输，接收端Sj收到的信号为其中，为接收端Sj的接收硬件损伤引入的失真噪声，为接收端Sj的接收硬件损伤幅度，Prec＝E{|hxi|2}＝|h|2Pi，为接收到的信号功率。3.如权利要求1所述的一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法，其特征在于，所述第一阶段传输模型包括，两个源节点同时传输信息给中继，中继接收到的信息为：yR＝h1(x1+τtx,1)+h2(x2+τtx,2)+τrx,r+nr其中，τtx,i为源端Si发射机引入的硬件损伤噪声，τrx,r为中继R接收机硬件损伤引入的失真噪声；所述第二阶段传输模型包括，中继依据PS能量收集将收集到的一部分信息转换为能量，另一部分信息进行信号处理，然后用收集到的能量广播经信息处理后的信息，此时，源节点Si,i＝1,2收到的信息为：其中，τtx,r为中继R发送机硬件损伤引入的失真噪声，τrx,i为源节点Si接收机硬件损伤引入的失真噪声。4.如权利要求1所述的一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法，其特征在于，还包括以下步骤，归一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国仲，彭醇陵，
申请(专利权)人：重庆电子工程职业学院，重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50