一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法技术方案

技术编号:22568527 阅读:42 留言:0更新日期:2019-11-16 13:34
一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法,包括如下步骤:步骤S1、两信源节点通过中继节点R将信息转发至目的节点,在第一时隙中,广播信号至中继节点R;步骤S2、中继节点R基于能量收集技术同时实现信息译码与能量收集,功率分割协议下,功率分割因子为ρ(0≤ρ≤1),可获取两信源节点到中继节点R的信噪比;步骤S3、根据香农公式获取两信源节点到中继节点R及中继节点R到目的节点的信道容量,译码转发协议下,获取两信源中继协作通信系统的信道容量;步骤S4、优化中继节点R的功率分割因子ρ,对能量收集和信息译码两部分功率进行优化分配,使两信源节点到目的节点的系统信道容量最大化。本发明专利技术结合了协作和能量收集技术,实现了分集增益,突破了无线通信领域中能量供应和终端能耗的瓶颈,提高了能量效率和频谱效率,延长了网络的整体使用周期。

A power division factor optimization method based on energy collection multi-source relay cooperative communication system

A power division factor optimization method based on energy collection multi-source relay cooperative communication system includes the following steps: step S1, two source nodes forward information to the destination node through relay node R, in the first slot, broadcast signal to relay node R; step S2, relay node r realize information decoding and energy collection based on energy collection technology at the same time, power division and cooperation Under the discussion, if the power partition factor is \u03c1 (0 \u2264 \u03c1 \u2264 1), the signal-to-noise ratio of two source nodes to relay node R can be obtained; step S3, according to Shannon formula, the channel capacity of two source nodes to relay node R and relay node r to destination node can be obtained; under decoding and forwarding protocol, the channel capacity of two source relay cooperative communication system can be obtained; step S4, the power partition factor of relay node R can be optimized \u03c1, two parts of the power of energy collection and information decoding are optimally allocated to maximize the system channel capacity from the two source nodes to the destination nodes. The invention combines collaboration and energy collection technology, realizes diversity gain, breaks through the bottleneck of energy supply and terminal energy consumption in the field of wireless communication, improves energy efficiency and spectrum efficiency, and extends the overall service cycle of the network.

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法
本专利技术属于无线通信
,具体涉及一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法。
技术介绍
随着无线通信技术及其在各领域应用的飞速发展,现有的无线频谱资源变得紧张,如何提高频谱利用率和数据传输速率成为无线通信中亟待解决的问题。同时,在一些偏远地区,中继节点无法由电缆正常供电,或由电池供电,都降低了中继节点的使用寿命,那么如何延长通信设备的生命周期,实现信息的正常传输就显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法,结合了协作和能量收集技术,实现了分集增益,突破了无线通信领域中能量供应和终端能耗的瓶颈,提高了能量效率和频谱效率,延长了网络的整体使用周期。本专利技术提供一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法,包括如下步骤:步骤S1、两信源节点S1、S2通过中继节点R将信息转发至目的节点,在第一时隙中,S1、S2广播信号至中继节点R;步骤S2、中继节点R基于能量收集技术同时实现信息译码与能量收集,功率分割协议下,功率分割因子为ρ(0≤ρ≤1),可获取两信源节点到中继节点R的信噪比;步骤S3、根据香农公式获取两信源节点S1、S2到中继节点R及中继节点R到目的节点的信道容量,并通过译码转发协议,获取两信源中继协作通信系统的信道容量;步骤S4、优化中继节点R的功率分割因子,并对能量收集和信息译码两部分功率进行优化分配,使两信源节点S1、S2到目的节点的系统信道容量最大化。作为本专利技术的进一步技术方案,步骤S1中,在第一时隙内,两信源节点S1、S2广播信号到中继节点R;两信源节点S1、S2的传输信号为xi(E[|xi|2]=1),发射功率分别为Pi(i=1,2);NR为中继节点R的加性高斯白噪声矩阵,各分量相互独立的均值为零、方差为的复高斯随机变量;则中继节点R的接收信号表达式为其中,为信源节点Si(i=1,2)到中继节点R的信道增益。进一步的,步骤S2中,中继节点R的功率分割因子为ρ(0≤ρ≤1),中继节点R将接收信号中进行能量吸收,进行接收信息译码,则两信源节点S1、S2到中继节点R的信噪比为:进一步的,步骤S3中,中继节点R从两个信源节点S1、S2中收集总能量为:其中,为中继节点的噪声功率,功率转化率为η(0≤η≤1),则中继节点R功率为:中继节点采用空时编码协作转发两信源节点S1、S2的信息,目的节点采用最大似然检测译码方法恢复信源节点S1、S2的信号,中继节点的第一发射天线和第二发射天线到目的节点的接收天线的信道增益分别为则目的节点信噪比γD为:根据香农公式,可计算出两信源节点S1、S2到中继节点R以及中继节点R到目的节点信道容量分别为:根据译码转发协议,两信源中继协作通信系统的信道容量为:进一步的,步骤S4中,根据两个信源到目的节点的信道容量,优化功率分割因子,获取此时系统的信道容量最大值;则信道容量公式为:C=min(C1,C2,C3)(11)其中,C3=CRD,则有:其中,F(ρ)=min(f1(ρ),f2(ρ),f3(ρ)),fi(ρ),i=1,2,3,分别表示为:通过计算可知fi(ρ)(0≤ρ≤1)的边界值,并对边界值分析,得到ρ在[0,1]区域内,函数f1(ρ)和f2(ρ)单调递减,f3(ρ)单调递增;ρm,n为函数曲线相交点(m,n)∈{(1,3),(2,3)},通过比较ρ1,3与ρ2,3的大小,系统信道容量最大值计算分为两种情况:第一种:ρ1,3≤ρ2,3,则有第二种:ρ1,3≥ρ2,3,则有其中,通过比较ρ1,3和ρ2,3可知,当时,ρ1,3≥ρ2,3;当时,ρ1,3≤ρ2,3;公式(16)、(17),由部分连续函数构成,在公式(16)中,信道容量C为两段函数组成:第一段函数增加,第二段函数减少,而整个函数为连续,由此可知整个函数是凸函数且只有一个最大值;同理可知公式(17)也只有一个最大值;将功率分割问题优化为等价于求解功率分割因子的取值可实现信道容量最大化的目标:OP1:s.t.0≤ρ≤1(20)则在第一种情况时,信道容量函数由两段函数组成的连续函数,第一段单调自增,第二段单调递减,函数最大值出现在两段函数交点处,即:则最优功率分割因子:ρopt=ρ1,3;(22)第二种情况时,系统的最大信道容量为:则最优功率分割因子:ρopt=ρ2,3;(24)将分割因子代入总功率,求得用于能量收集和信息译码的功率分配,实现系统信道容量最大化。本专利技术中,能量收集技术的应用使得中继节点可收集周围环境中的射频信号转发为有效功率用于供电,延长了中继设备的使用周期;本专利技术设计的基于能量收集的多信源中继协作系统的功率分割因子优化方法,在系统总功率一定的情况下,对中继节点用于能量收集和信息接收译码的功率进行优化分配,提高了信道容量。附图说明图1为本专利技术的流程示意图;图2为采用本专利技术的最优功率分割因子与其他功率分割因子时系统信道容量对比仿真图。具体实施方式请参阅图1,本实施例提供一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法。假设信源节点S2在整个通信过程中优先级低于信源节点S1,即协作中继须首先满足S1的信道容量需求。通过优化中继节点的功率分割因子,最大化S1-R-D链路信道容量。优化目标为:s.t.0≤η≤10≤ρ≤1为考虑问题方便,做以下假设将目标函数简化为若即:得到:此时系统S1-R-D的链路信道容量为:式(5)中γRD与功率分割因子ρ成正比,此时信道容量C是关于ρ的单调增函数,则当γRD取得最大值,此时系统S1-R-D的链路信道容量取得最大值。若即:得到:同理,此时系统S1-R-D的链路信道容量:式(8)中与功率分割因子ρ成反比,此时信道容量是关于ρ的单调减函数,则当取得最大值,此时系统S1-R-D的链路信道容量取最大值。通过总结分析上述两种情况,得到如下结论,当且仅当γRD相等,此时系统S1-R-D的链路信道容量取得最大值Cmax,最大值为:此时,最优功率分割因子为:则得到中继节点用于能量收集和信息译码的功率分别为为了实现两个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法,信源节点和目的节点配置单天线,中继节点配置两天线,其特征在于,包括如下步骤:/n步骤S1、两信源节点S1、S2通过中继节点R将信息转发至目的节点,在第一时隙中,S1、S2广播信号至中继节点R;/n步骤S2、中继节点R基于能量收集技术同时实现信息译码与能量收集,功率分割协议下,功率分割因子为ρ(0≤ρ≤1),可获取两信源节点到中继节点R的信噪比;/n步骤S3、根据香农公式获取两信源节点S1、S2到中继节点R及中继节点R到目的节点的信道容量,并通过译码转发协议,获取两信源中继协作通信系统的信道容量;/n步骤S4、优化中继节点R的功率分割因子,并对能量收集和信息译码两部分功率进行优化分配,使两信源节点S1、S2到目的节点的系统信道容量最大化。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法,信源节点和目的节点配置单天线,中继节点配置两天线,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1、两信源节点S1、S2通过中继节点R将信息转发至目的节点,在第一时隙中,S1、S2广播信号至中继节点R;
步骤S2、中继节点R基于能量收集技术同时实现信息译码与能量收集,功率分割协议下,功率分割因子为ρ(0≤ρ≤1),可获取两信源节点到中继节点R的信噪比;
步骤S3、根据香农公式获取两信源节点S1、S2到中继节点R及中继节点R到目的节点的信道容量,并通过译码转发协议,获取两信源中继协作通信系统的信道容量;
步骤S4、优化中继节点R的功率分割因子,并对能量收集和信息译码两部分功率进行优化分配,使两信源节点S1、S2到目的节点的系统信道容量最大化。


2.根据权利要求1所述的一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法,其特征在于,所述步骤S1中,在第一时隙内,两信源节点S1、S2广播信号到中继节点R;两信源节点S1、S2的传输信号为xi(E[|xi|2]=1),发射功率分别为Pi(i=1,2);NR为中继节点R的加性高斯白噪声矩阵,各分量相互独立的均值为零、方差为的复高斯随机变量;则中继节点R的接收信号表达式为



其中,为信源节点Si(i=1,2)到中继节点R的信道增益。


3.根据权利要求1所述的一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法,其特征在于,所述步骤S2中,中继节点R的功率分割因子为ρ(0≤ρ≤1),中继节点R将接收信号中进行能量吸收,进行接收信息译码,则两信源节点S1、S2到中继节点R的信噪比为:








4.根据权利要求1所述的一种基于能量收集多信源中继协作通信系统的功率分割因子优化方法,其特征在于,所述步骤S3中,中继节点R从两个信源节点S1、S2中收集总能量为:



其中,为中继节点的噪声功率,功率转化率为η(0≤η≤1),则中继节点R功率为:



中继节点采用空时编码协作转发两信源节点S1、S2的信息,目的节点采用最大似然检测译码方法恢复信源节点S1、S2的信号,中继节点的第一发射天线和第二发射天线到目的节点的接收天线的信道增益分别为则目的节点信噪比γD为:



根据香农公式...

【专利技术属性】
技术研发人员:张顺外位方宁石笑笑
申请(专利权)人:南京邮电大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

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