混合媒质通信系统中断概率计算模型及自适应中继方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于AF/DF协议的混合媒质通信系统中断概率计算模型及自适应中继方法。所述中断概率计算模型利用二维LogN近似算法以及输出信噪比的MGF，推导出中继采用AF和DF协议时系统中断概率的闭合表达式；所述自适应中继方法，在所述中断概率计算模型的基础上，求解信噪比方程获得自适应中继的门限值，并根据所述门限值自适应选择合适的AF或DF协议进行信息转发，从而实现高效的中继过程。本发明专利技术中断概率计算模型具有较高的精确度和可靠性，自适应中继方法有效地克服了AF和DF的自身缺点，根据信道质量动态选择AF或者DF转发协议，在不增加系统复杂度的前提下，获得相对最优的中断概率性能，从而获得最佳的通信质量。

【技术实现步骤摘要】
混合媒质通信系统中断概率计算模型及自适应中继方法
本专利技术属于网络通信领域，具体涉及一种混合媒质通信系统中断概率计算模型及自适应中继方法。
技术介绍
电力线通信(powerlinecommunication，PLC)和无线通信是配电网通信的重要组成部分，在智能电网和家居物联网等领域具有广泛的应用前景。但是电力线通信模块需要固定在插座上面，无法实现移动接入；且电力线信道容易受到线路阻抗、衰落和脉冲噪声等影响，远距离通信能力有待提高。另一方面，虽然无线通信方式接入灵活、组网简单，但是无线高频信号易受到门窗与墙壁等阻碍物的遮挡，信号衰落较大。无线和PLC各具特点，因此利用电力线和无线的混合媒质协作通信技术可以优势互补，提升系统的整体性能。混合媒质协作通信系统，也称为混合衰落通信系统。为了提高无线和电力线混合媒质协作通信系统的通信性能，通常采用协作中继技术。所述协作中继技术，如基于译码转发(decode-and-forward,DF)、放大转发(amplify-and-forward,AF)和分集合并等的物理层协作技术。中继协议是根据中继节点对信号的处理方式来定义的。比如,在AF协议中,中继节点对第一时隙接收到的源信号进行模拟放大，在第二时隙转发给目的节点；在压缩转发协议中，中继压缩接收到的信号并转发给目标终端；而在DF协议中，中继在第一时隙解码接收到的源信号，并在第二时隙重新编码转发给目的终端。自适应中继协议是对中继协议的优化。现有技术中，自适应中继协议虽然可以有效提高系统的频谱效率，但均需要增加反馈信道至源节点或者中继器，然而反馈信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)均需要开辟专门的系统资源，如时隙、频带等，为了自适应而反馈CSI的代价非常大，影响有效的信息速率。
技术实现思路
为了提高混合媒质通信系统的计算精度和通信可靠性，本专利技术提供了一种基于信噪比门限值的自适应中继方法，中继可以根据信道质量自适应地在AF和DF间进行简单切换，无需目的节点反馈CSI至中继或目的节点，保证中继在AF和DF协议的基础上获得最佳性能，提高通信质量。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。本专利技术提供了一种基于放大转发AF中继协议的混合媒质通信系统中断概率计算模型，所述基于AF中继协议的混合媒质通信系统，包括终端S、D和中继R三个节点、两个时隙，且为单向中继系统；可移动接入的终端S和节点R之间进行无线通信，节点R和D之间进行无线和电力线并行通信，中继R具有电力线和无线双通信接口，采用Nakagami-LogN混合衰落，且采用最大比合并；所述混合媒质通信系统中断概率计算模型为：式(1)中，p0表示电力线信道中只存在背景噪声的瞬时噪声概率，p1表示电力线信道中同时存在背景噪声和脉冲噪声时的瞬时噪声概率，γth为中断概率的门限值；E(C,N,Q)为整体截断误差，其中，C＝10ln10，N和Q为设定的常数；q和n均为正整数，当n＝1时，β1＝2，当n≠1时，βn＝1；i表示虚数单位，R(·)表示实部；表示电力线信道中只存在背景噪声时系统总输出信噪比的矩生成函数MGF，表示电力线信道中同时存在背景噪声和脉冲噪声时系统总输出信噪比的MGF；系统总输出信噪比γAF为无线和电力线两条并行中继链路信噪比之和；γAF的MGF表达式通过式(2)至(4)计算：式(2)至(4)中，表示无线和无线AF中继通信输出信噪比的矩生成函数MGF，θt表示二维LogN分布中每一维的LogN变量占据的权重，表示其中每一维LogN变量的分布参数；表示无线和电力线AF中继通信输出信噪比的MGF，p0表示只存在背景噪声时的瞬时噪声概率，p1表示电力线信道同时存在背景噪声和脉冲噪声时的瞬时噪声概率；ρjz表示在不同瞬时噪声概率下每一维的LogN变量占据的权重，表示其中每一维LogN变量的分布参数。可选地，所述基于AF中继协议的混合媒质通信系统中两个时隙的输出信噪比计算过程为：第一时隙，中继R接收到的无线信号为：中继R对接收到的信号yWR进行处理，获得中继信号XR；第二时隙，中继R将中继信号XR分别以功率PR1和PR2通过无线和电力线并行信道转发给目的节点D，终端D接收到的无线和电力线信号分别为：式(5)和(6)中，nWR和nWD表示无线信道中的加性高斯白噪声，满足正态分布N(0,NWI),I∈{R,D}；HWI表示无线信道衰落系数，满足Nakagami分布，即：式(8)中，mI为Nakagami分布参数，mI≥0.5；Γ(x)为伽玛函数；ΩI＝E(|HWI|2)，表示衰落幅度的均值，令ΩI＝1；HWI服从Nakagami分布，|HWI|2满足Gamma分布G(αI,βI)，概率密度函数PDF具有以下形式：式(9)中，αI、βI与Nakagami分布参数的关系满足αI＝mI，βI＝ΩI/mI；在式(7)中，nPlD表示电力线信道中的双项伯努利-高斯噪声，电力线信道衰落系数HPlD满足对数正态分布(LogN)：式(10)中，μPlD和σPlD分别为lnHPlD的均值和均方差；令则有电力线信道的加性噪声由背景噪声和脉冲噪声两部分组成，其PDF具有以下形式：f(nPlD)＝(1-p)N(0,NG)+pN(0,NG+NI)(11)式(11)中，N(0，NG)和N(0，NG+NI)分别表示正态分布，p为脉冲噪声出现的概率，NG和NI分别表示背景噪声和脉冲噪声的功率，当瞬时噪声概率p0＝1-p时，只存在背景噪声，当p1＝p时，背景噪声和脉冲噪声同时出现；电力线信道的平均总噪声功率为NPl＝NG+pNI；令K＝NI/NG，表示脉冲噪声功率和背景噪声功率之比；由式(5)、(6)和(7)，在第一时隙和第二时隙无线支路的输出信噪比SNR为：γWI＝|HWI|2ΔWI(12)令ΔWR＝PS/NWR和ΔWD＝PR1/NWD分别表示两个时隙无线信道的平均信噪比，根据Gamma函数的性质，当平均信噪比ΔWI为常数时，无线支路SR和RD的输出SNR满足|HWI|2ΔWI～G(mI,ΔWIΩI/mI)；γPlD0表示电力线信道中只存在背景噪声时的输出信噪比，γPlD1表示电力线信道中同时存在背景噪声和脉冲噪声时的输出信噪比，则电力线支路RD的输出SNR为：式(13)中，ΔPl0＝PR2/NG表示电力线信道只存在背景噪声时的平均信噪比，ΔPl1＝ΔPl0/(1+K)表示电力线信道同时存在背景噪声和脉冲噪声时的平均信噪比；根据LogN分布的性质，当ΔPl0和ΔPl1分别为常数时，γPlD0和γPlD1也满足LogN分布，因此电力线支路的输出信噪比满足：可选地，所述中断概率计算模型的推导过程包括如下步骤：步骤S101，在两跳AF中继系统中，中继处的放大系数为：第二时隙中继处的发送信号为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于放大转发AF中继协议的混合媒质通信系统中断概率计算模型，所述基于AF中继协议的混合媒质通信系统，包括终端S、D和中继R三个节点、两个时隙，且为单向中继系统；可移动接入的终端S和节点R之间进行无线通信，节点R和D之间进行无线和电力线并行通信，中继R具有电力线和无线双通信接口，采用Nakagami-LogN混合衰落，且采用最大比合并；其特征在于，所述混合媒质通信系统中断概率计算模型为：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于放大转发AF中继协议的混合媒质通信系统中断概率计算模型，所述基于AF中继协议的混合媒质通信系统，包括终端S、D和中继R三个节点、两个时隙，且为单向中继系统；可移动接入的终端S和节点R之间进行无线通信，节点R和D之间进行无线和电力线并行通信，中继R具有电力线和无线双通信接口，采用Nakagami-LogN混合衰落，且采用最大比合并；其特征在于，所述混合媒质通信系统中断概率计算模型为：



式(1)中，p0表示电力线信道中只存在背景噪声的瞬时噪声概率，p1表示电力线信道中同时存在背景噪声和脉冲噪声时的瞬时噪声概率，γth为中断概率的门限值；E(C,N,Q)为整体截断误差，其中，C＝10ln10，N和Q为设定的常数；q和n均为正整数，当n＝1时，β1＝2，当n≠1时，βn＝1；i表示虚数单位，R(·)表示实部；表示电力线信道中只存在背景噪声时系统总输出信噪比的矩生成函数MGF，表示电力线信道中同时存在背景噪声和脉冲噪声时系统总输出信噪比的MGF；系统总输出信噪比γAF为无线和电力线两条并行中继链路信噪比之和；
γAF的MGF表达式通过式(2)至(4)计算：









式(2)至(4)中，表示无线和无线AF中继通信输出信噪比的矩生成函数MGF，θt表示二维LogN分布中每一维的LogN变量占据的权重，表示其中每一维LogN变量的分布参数；表示无线和电力线AF中继通信输出信噪比的MGF，p0表示只存在背景噪声时的瞬时噪声概率，p1表示电力线信道同时存在背景噪声和脉冲噪声时的瞬时噪声概率；ρjz表示在不同瞬时噪声概率下每一维的LogN变量占据的权重，表示其中每一维LogN变量的分布参数。


2.根据权利要求1所述的中断概率计算模型，其特征在于，所述基于AF中继协议的混合媒质通信系统中两个时隙的输出信噪比计算过程为：
第一时隙，中继R接收到的无线信号为：



中继R对接收到的信号yWR进行处理，获得中继信号XR；
第二时隙，中继R将中继信号XR分别以功率PR1和PR2通过无线和电力线并行信道转发给目的节点D，终端D接收到的无线和电力线信号分别为：






式(5)和(6)中，nWR和nWD表示无线信道中的加性高斯白噪声，满足正态分布N(0,NWI),I∈{R,D}；HWI表示无线信道衰落系数，满足Nakagami分布，即：



式(8)中，mI为Nakagami分布参数，mI≥0.5；Γ(x)为伽玛函数；ΩI＝E(|HWI|2)，表示衰落幅度的均值，令ΩI＝1；
HWI服从Nakagami分布，|HWI|2满足Gamma分布G(αI,βI)，概率密度函数PDF具有以下形式：



式(9)中，αI、βI与Nakagami分布参数的关系满足αI＝mI，βI＝ΩI/mI；
在式(7)中，nPlD表示电力线信道中的双项伯努利-高斯噪声，电力线信道衰落系数HPlD满足对数正态分布(LogN)：



式(10)中，μPlD和σPlD分别为lnHPlD的均值和均方差；令则有
电力线信道的加性噪声由背景噪声和脉冲噪声两部分组成，其PDF具有以下形式：
f(nPlD)＝(1-p)N(0,NG)+pN(0,NG+NI)(11)
式(11)中，N(0，NG)和N(0，NG+NI)分别表示正态分布，p为脉冲噪声出现的概率，NG和NI分别表示背景噪声和脉冲噪声的功率，当瞬时噪声概率p0＝1-p时，只存在背景噪声，当p1＝p时，背景噪声和脉冲噪声同时出现；电力线信道的平均总噪声功率为NPl＝NG+pNI；令K＝NI/NG，表示脉冲噪声功率和背景噪声功率之比；
由式(5)、(6)和(7)，在第一时隙和第二时隙无线支路的输出信噪比SNR为：
γWI＝|HWI|2ΔWI(12)
令ΔWR＝PS/NWR和ΔWD＝PR1/NWD分别表示两个时隙无线信道的平均信噪比，根据Gamma函数的性质，当平均信噪比ΔWI为常数时，无线支路SR和RD的输出SNR满足|HWI|2ΔWI～G(mI,ΔWIΩI/mI)；
γPID0表示电力线信道中只存在背景噪声时的输出信噪比，γPlD1表示电力线信道中同时存在背景噪声和脉冲噪声时的输出信噪比，则电力线支路RD的输出SNR为：



式(13)中，ΔPl0＝PR2/NG表示电力线信道只存在背景噪声时的平均信噪比，ΔPl1＝ΔPl0/(1+K)表示电力线信道同时存在背景噪声和脉冲噪声时的平均信噪比；根据LogN分布的性质，当ΔPl0和ΔPl1分别为常数时，γPlD0和γPlD1也满足LogN分布，因此电力线支路的输出信噪比满足：





3.根据权利要求2所述的中断概率计算模型，其特征在于，所述中断概率计算模型的推导过程包括如下步骤：
步骤S101，在两跳AF中继系统中，中继处的放大系数为：第二时隙中继处的发送信号为：XR＝αAF×yWR，第二时隙电力线和无线支路在终端D的输出信噪比分别为：






则系统采用MRC之后的瞬时输出信噪比为：



步骤S102，|HWI|2满足Gamma分布，根据Gamma分布的性质，当ΔWI为常数时，得1/(|HWI|2ΔWI)的MGF为：



式(18)中，I∈{R,D}，Γ(*)是伽玛函数，KV(*)是第二类变形贝塞尔函数；
令满足二维LogN分布，其中θt表示每一维LogN变量占据的权重，并有θ1+θ2＝1；通过Gauss-Hermite级数方法对LogN变量的MGF进行积分处理，得到的MGF表达式：



式(19)中，ωm和am分别表示Gauss-Hermite公式的权重及其零点，M为权重ωm及零点am的个数；

的MGF又等于：
MWW(s)＝MWR(s)×MWD(s)(20)
将(19)带入(20)中，可得：



选择五个固定的s值s1～s5，获得关于θt，μWt和σWt，t∈{1,2}的方程组；
步骤S103，在无线电力线中继通信过程中，令其中ρz表示每个LogN变量的权...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈智雄，王丽娇，韩东升，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13