全双工能量采集中继自适应天线选择传输方法与流程

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种全双工能量采集中继自适应天线选择传输方法。

背景技术：

同频同时全双工技术被认为一项有效提高频谱效率的技术，该技术是在同一个物理信道上实现两个方向信号的传输，即通过在通信双工节点的接收机处消除自身发射机信号的干扰，在发射机信号同时，接收来自另一节点的同频信号，对比传统的时分双工(TDD)和频分双工(FDD)而言，同频同时全双工可以将频谱效率提高一倍。目前，同频同时全双工技术正逐渐成为无线通信领域的一个新的研究热点，并且已经初步显示出广阔的应用前景。在蜂窝通信系统、室内无线通信系统等都可以应用，近几年，对于无线网络中能量采集技术的研究受到了广泛关注，对于不便于大规模采用有线供能的中继网络，比如传感器网络，传统的方法是采用电池供电，但是造成后期的网络维护成本较高，需要定期更换电池或者给电池充电。无线能量采集技术显著延长了多节点网络的生命周期，鉴于此，对于采用能量采集技术的协同中继网络的研究显得十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种全双工能量采集中继自适应天线选择传输方法，使得整个系统在多种情况下都可以选择速率最大的方案去收发信息。

一种全双工能量采集中继自适应天线选择传输方法，用于全双工中继网络，其中全双工中继网络包括信源、中继和信宿三个节点，信源与信宿之间信息传输过程在一个传输时隙完成，包括以下步骤：

1)信源和中继发送导频信号，通过反馈信道中继获得信源到中继，中继到信宿以及自干扰信道的完全状态信息。接着信源将有用信息广播至中继，中继在t时刻接收信号的表达式表示如下：

其中d₁为信源到中继的距离，m表示路径损耗因子，h_1,i为信源至中继的信道参数，f_i,j为信源至中继的信道参数，|x_s|²＝P_s为信源发送的信号功率，|x_r|²＝P_r为中继发送的信号功率，n_r为单位方差加性白高斯噪声，其中i表示中继第i根用于接收信号的天线，j表示中继第j根用于发送信号的天线；

2)中继采集的能量用于转发信源的信息给信宿，在忽略采集天线接收噪声所带微弱能量时，在时间T内中继接收信源发送信号的总能量为中继采用能量采集技术，即中继将部分接收信号中所包含能量用以采集并为中继工作供能，由于无线能量采集存在转化效率，中继实际采集到的能量为其中η表示能量转换效率因子，ρ表示功率分配因子，并且0<ρ<1，0<η<1，当一部分信号用于能量采集之后，中继处于全双工的工作模式下，中继的发送功率为

3)中继转发信源的信息到信宿，信宿在t时刻接收到的信号可以表示为其中d₂为中继到信宿之间的距离，h_2,j表示中继与信宿间信道系数，n_d为单位方差白高斯噪声；

4)系统计算以下3种中继天线收发方案所对应的接收端信噪比：天线收发方案1，先在中继的所有天线中选择一根信源到中继信道增益最大的天线接收信号，选择公式为：然后在剩下的天线中选择一根中继到信宿信道增益最大的天线转发信息，选择公式为：天线收发方案2，直接选择中继的收发天线使得自干扰信道增益最小，选择公式为：天线收发方案3，先在中继的所有天线中选择一根信源到中继信道增益最大的天线接收信号，选择公式为：然后在剩余的天线中选择一根使得自干扰信道增益最小的天线转发信息，选择公式为：从信源到信宿的总的接收信噪比为其中n＝1,2,3，分别代表天线收发方案1，天线收发方案2，天线收发方案3；

5)计算出三种天线收发方案所对应的接收端信噪比后，通过公式C＝log₂(1+γ_n,AF)计算得到三种天线收发方案所对应的系统瞬时速率，系统依据三种方案的瞬时速率进行中继天线收发方案的自适应切换，即天线收发方案的自适应切换得到系统传输速率达到最大。

在本发明的较佳实施例中，步骤2)中，中继采用的是可变增益放大转发协议，在可变增益放大转发协议下，中继放大因子中继在t时刻转发信源的信号可以表示为其中τ表示时间延迟因子。

本发明中的全双工能量采集中继自适应天线选择传输方法，针对中继天线的收发设置三个可选择方案：方案一，先从中继的所有天线中选择一根使得信源到中继信道增益达到最大的天线用来接收信源信号，然后在剩下的天线中选择一根中继到信宿信道增益最大的天线转发信源信息给信宿；方案二，直接同时选择中继的收发天线使得自干扰信道增益最小。方案三，先在中继的所有天线中选择一根信源到中继信道增益最大的天线来接收信源信号，然后在剩余的天线中选择一根使得自干扰信道增益最小的天线转发信源信息到信宿，基于系统瞬时速率的计算对三种天线选择方案进行自适应切换，使得系统的传输速率最大化，该传输方法中继采用了无线信号功率分配能量采集技术，适用于一些不便于大规模有线供能的中继网络，如传感器网络等。

附图说明

图1a)是本发明中的全双工能量采集中继自适应天线选择通信系统传输流程图；

图1b)是本发明中的全双工能量采集中继自适应天线选择传输方法的功率分配框图；

图2是本发明中的系统流程框图；

图3是本发明中的中继网络仿真环境下的二维拓扑图；

图4是本发明中系统平均速率随信源发送功率P_S增大时三种天线选择方案以及自适应天线选择方案的变化情况；

图5是系统平均速率随功率分配因子ρ增大时三种方案的变化情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明，

参见图1(a)和1(b)，图1(a)中包含三个节点，分别为信源S、中继R和信宿D，全双工中继自由配置若干根天线用于接收和发送信号，其他节点均为单天线，且中继为无源节点，需通过无线能量采集为其工作供能，由于信源与信宿间距离较远，没有直达路径。中继为全双工工作模式，中继将接收信息的一部分用于能量采集，采集所得能量用于转发另一部分信息，且中继使用干扰自消除技术对自干扰信号进行消除，系统中所有信道均采用瑞利衰落信道，信源与信宿之间信息传输过程在一个传输时隙完成，包括以下步骤：

1)信源和中继发送导频信号，通过反馈信道中继获得信源到中继，中继到信宿以及自干扰信道的完全状态信息。接着信源将有用信息广播至中继，中继在t时刻接收信号的表达式表示如下：

其中d₁为信源到中继的距离，m表示路径损耗因子，h_1,i为信源至中继的信道参数，f_i,_j为信源至中继的信道参数，|x_s|²＝P_s为信源发送的信号功率，|x_r|²＝P_r为中继发送的信号功率，n_r为单位方差加性白高斯噪声，其中i表示中继第i根用于接收信号的天线，j表示中继第j根用于发送信号的天线；

2)中继采集的能量用于转发信源的信息给信宿，在忽略采集天线接收噪声所带微弱能量时，在时间T内中继接收信源发送信号的总能量为中继采用能量采集技术，即中继将部分接收信号中所包含能量用以采集并为中继工作供能，由于无线能量采集存在转化效率，中继实际采集到的能量为其中η表示能量转换效率因子，ρ表示功率分配因子，并且0<ρ<1，0<η<1，当一部分信号用于能量采集之后，中继处于全双工的工作模式下，中继的发送功率为

3)中继转发信源的信息到信宿，信宿在t时刻接收到的信号可以表示为其中d₂为中继到信宿之间的距离，h_2,j表示中继与信宿间信道系数，n_d为单位方差白高斯噪声；

4)系统计算以下3种中继天线收发方案所对应的接收端信噪比：天线收发方案1，先在中继的所有天线中选择一根信源到中继信道增益最大的天线接收信号，选择公式为：然后在剩下的天线中选择一根中继到信宿信道增益最大的天线转发信息，选择公式为：天线收发方案2，直接选择中继的收发天线使得自干扰信道增益最小，选择公式为：天线收发方案3，先在中继的所有天线中选择一根信源到中继信道增益最大的天线接收信号，选择公式为：然后在剩余的天线中选择一根使得自干扰信道增益最小的天线转发信息，选择公式为：从信源到信宿的总的接收信噪比为其中n＝1,2,3，分别代表天线收发方案1，天线收发方案2，天线收发方案3；

5)计算出三种天线收发方案所对应的接收端信噪比后，通过公式C＝log₂(1+γ_n,AF)计算得到三种天线收发方案所对应的系统瞬时速率，系统依据三种方案的瞬时速率进行中继天线收发方案的自适应切换，即天线收发方案的自适应切换得到系统传输速率达到最大。

步骤2)中，中继采用的是可变增益放大转发协议，在可变增益放大转发协议下，中继放大因子中继在t时刻转发信源的信号可以表示为其中τ表示时间延迟因子。

图3是本发明中的中继网络仿真环境下1×1的二维拓扑图。其中，信源位于点(0,0)，中继位于点(0.5,0)，信宿位于点(1,0)，图4是系统平均速率随信源发送功率P_S增大时三种方案以及自适应天线选择方案的变化情况。仿真环境:功率分配因子ρ＝0.4，信道衰落系数m＝3，能量转化效率η＝0.6，天线数为6，中继自干扰信道平均信道增益_E(|f_i,j|²)＝0.1，其他信道平均信道增益均为1，图5是系统平均速率随功率分配因子ρ增大时三种方案的变化情况。仿真环境:信源发送功率P_s＝10dB，信道衰落系数m＝3，能量转化效率η＝0.6，天线数为6，中继自干扰信道平均信道增益_E(|f_i,j|²)＝0.1，其他信道平均信道增益均为1，由图4和图5可知，自适应天线选择方案能够使得系统的传输速率最大化。

综上所述，该全双工能量采集中继自适应天线选择传输方法针对中继天线的收发设置三个可选择方案：方案一，先从中继的所有天线中选择一根使得信源到中继信道增益达到最大的天线用来接收信源信号，然后在剩下的天线中选择一根中继到信宿信道增益最大的天线转发信源信息给信宿；方案二，直接同时选择中继的收发天线使得自干扰信道增益最小。方案三，先在中继的所有天线中选择一根信源到中继信道增益最大的天线来接收信源信号，然后在剩余的天线中选择一根使得自干扰信道增益最小的天线转发信源信息到信宿，基于系统瞬时速率的计算对三种天线选择方案进行自适应切换，使得系统的传输速率最大化，该传输方法中继采用了无线信号功率分配能量采集技术，适用于一些不便于大规模有线供能的中继网络，如传感器网络等。

上述仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。