一种携能多天线中继的能量分配优化方法与流程

本发明涉及一种携能多天线中继的能量分配优化方法，属于无线通信的技术领域。

背景技术：

在过去的十几年中，全球移动通信技术发展迅速，无线网络系统必须拥有更大的容量，来满足人们日益增长的无线业务需求。在此背景下，无线中继通信应运而生，其主要思想是通过部署中继器来消除无线网络中的覆盖空洞，提高系统容量。但是，由于无线中继节点位置的随机性以及高移动性，在某些通信场景下很难获得稳定的主电源供给，从而导致了中继器的能量供应难题。为此，能量采集(energyharvesting)技术通过从周围环境采集能量，例如太阳能、风能、地热能等，也可以从无线电信号中采集能量，可望解决无线中继的能量供给问题。对于装有能量采集器的无线中继来说，其可以从自身接收到的无线电信号中采集能量，通常也称之为携能无线中继。在能量采集中继网络中，有两种典型的能量采集协议，分别是时隙交换协议(time-switching，ts)和功率分割协议(power-splitting，ps)。时隙交换协议是指将一个时隙分成两部分，一部分时间用来采集能量，剩下的时间用来发送信息。相比之下，功率分割协议是指将中继接收到的信号能量分成两部分，一部分能量存储下来用来转发信息，另一部分能量用来处理信息。

在传统的通信系统中，用户以及中继通常装置一根天线。现代通信系统则广泛采用多天线技术，通过使用多天线可以获得额外的空间分集增益。但现有的多天线中继中无法在提高能量采集效率的同时，改善无线传输容量，使得中继在能量分配上存在局限性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种携能多天线中继的能量分配优化方法，解决有的多天线中继中无法在提高能量采集效率的同时，改善无线传输容量，使得中继在能量分配上存在局限性的问题，本发采用了ps协议，通过将能量采集中继的能量进行最优分配，并得到最优能量分配因子，使系统容量达到最大。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种携能多天线中继的能量分配优化方法，包括以下步骤：

根据瞬时信道状态信息计算得到最优能量分配因子；

源节点将信息发送给中继节点，所述中继节点从接收到的信息中采集能量，及根据最优能量分配因子将采集的能量分成两部分，一部分用于解码接收到的源节点信息并对信息进行预编码，另一部分用于转发预编码后的信息；

所述中继节点利用已分得的能量对将要传输的信息进行预编码，并利用已分得的能量将预编码后的信息发送给目的节点；

所述目的节点接收到来自中继节点所发送的信息，并计算获得信道容量。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述计算得到的最优能量分配因子为：

其中，ρopt为能量分配因子，η为能量转换效率；hj,d表示中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数，j＝1,2,…,n；n为中继节点天线数目。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述中继节点对将要传输的信息进行预编码，包括：

获取最优预编码矩阵：

其中，*为共轭运算，w＝[w1,w2,…,wn]^t，t为转置运算，且||w||²＝1，wi表示第i根天线的预编码系数，i＝1,2,…,n；h＝[h1,d,h2,d,…,hn,d]^t，hj,d表示中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数，j＝1,2,…,n；n为中继节点天线数目。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述目的节点计算获得源节点到中继节点的信道容量为：

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述目的节点计算获得中继节点到目的节点的信道容量为：

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述目的节点计算获得源节点到目的节点的信道容量为：

其中，n为中继节点天线数目，n0为中继节点处的噪声功率，hs,i为源节点与中继节点的第i根天线之间的瞬时信道衰落系数，且i＝1,2,…,n；hj,d表示中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数，j＝1,2,…,n；ρ为能量分配因子，η为能量转换效率，ps为源节点的发射功率。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明提出的一种携能多天线中继的能量分配优化方法，该方法采用了ps协议，通过将能量采集中继的能量进行最优分配，并得到最优能量分配因子，使系统容量达到最大；可以得到在中继节点处能量的最优分配，同时，计算最优信道容量时，终端只需要利用统计信道估计参数以及中继节点处的能量转换效率，在实际无线通信系统中具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明方法采用系统的模型图。

图2为本发明方法的基本流程图。

图3为能量分配因子和中继节点天线数目对信道容量的影响。

图4为能量分配因子和能量转换效率对信道容量的影响。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1和图2所示，本发明提出一种携能多天线中继的能量分配优化方法，该方法下的系统模型如图1所示，一个一根天线的源节点、一个装备有n根天线的目的节点以及一个装置有能量采集器和n根天线的中继节点。该方法包括以下步骤：

步骤1、根据瞬时信道状态信息计算得到最优能量分配因子；

步骤2、在当前时刻t，源节点在时隙t时间内将信息发送给中继节点，中继节点接收到信号并从接收到的信号中采集能量，根据最优能量分配因子将采集的能量分成两部分，其中一部分用于解码其接收到的源节点信息，且另一部分用于转发解码信息，即一部分用来转发信息，剩下的能量用来处理信息。

然后，所述中继节点利用已分得的能量对将要传输的信息进行预编码，并利用利用已分得的能量将预编码后的信息发送给目的节点。所述中继节点对将要传输的信息进行预编码的具体过程为：

给定源节点发射功率与噪声功率的比值

根据已知的信道转移矩阵h＝[h1,d,h2,d,…,hn,d]^t，其中t为转置运算，hj,d为中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数，j＝1,2,…,n，n为中继节点天线数目；中继节点对信号进行预编码，假定中继节点预编码矩阵为w＝[w1,w2,…,wn]^t，其中t为转置运算，wi为中继节点的第i根天线的预编码系数，i＝1,2,…,n，n为中继节点天线数目，且||w||²＝1，为了最大化中继到目的节点之间的信噪比，可获取最优预编码矩阵其中*为共轭运算。

以及，计算能量分配因子，使得源节点到目的节点的信道容量最大，可得最优能量分配因子为：

所述最优预编码矩阵w的计算过程为：源节点先将信息传输给中继节点，中继节点采集到的用于转发信息的能量为其中，ρ为能量分配因子，η为能量转换效率，ps为源节点的发射功率，t为一个时隙，hs,i为源节点与中继节点的第i根天线之间的瞬时信道衰落系数，i＝1,2,…,n；则中继节点下一时隙的传输功率为目的节点接收到的信号为：

其中nd为目的节点处的噪声，则目的节点接收到的瞬时信噪比为：

根据柯西—施瓦兹不等式有：

当且仅当时，信噪比最大，此时信噪比可以表示成：

信道容量计算过程：中继节点接收到的信号为：

其中nr表示中继节点处的噪声。

则中继节点处接收到的瞬时信噪比为：

目的节点接收到的瞬时信噪比为：

则整个系统的信噪比为：

则该中继系统的信道容量为：

最优能量分配因子ρ的计算过程：本发明是在使信道容量最大的情况下求出最优能量分配因子，即：

等价于：

上式可以简化成：

其中0≤ρ≤1。经过对上式中两个数的大小进行讨论得到：

可以求得最优能量分配因子为：

步骤3、所述目的节点接收到来自中继节点所发送的信息，并计算获得信道容量，所述信道容量包括源节点到中继节点的信道容量、中继节点到目的节点的信道容量、源节点到目的节点的信道容量。

所述源节点到中继节点的信道容量为：

所述中继节点到目的节点的信道容量为：

所述源节点到目的节点的信道容量为：

上述公式中，n为中继节点天线数目，n0为中继节点处的噪声功率，hs,i为源节点与中继节点的第i根天线之间的瞬时信道衰落系数，且i＝1,2,…,n；hj,d为中继节点的第j根天线与目的节点之间的瞬时信道衰落系数j＝1,2,…,n；ρ为能量分配因子，η为能量转换效率，ps为源节点的发射功率。

步骤4、当t>t时，传输结束进入下一个时隙t，重新执行步骤2至3。

本发明的方法，通过将能量采集中继的能量进行最优分配，并得到最优能量分配因子，使系统容量达到最大。本发明给出信道容量与能量分配因子关系的对比图，如图3和图4所示。

图3表示在中继节点具有不同天线数目的情况下，信道容量与能量分配因子关系图，图中ρopt表示最优能量分配因子的理论值，其中能量转换效率η取0.8。由图可以看出，随着中继配备的天线数目的增加，信道容量也会增加，且最优能量分配因子逐渐减小。

图4为中继节点天线数目取为定值4时，在不同能量转换效率的情况下，信道容量与能量分配因子的关系，图中ρopt表示最优能量分配因子的理论值，其中天线数目n取4。由图4可以看出，随着能量转换效率的提高，信道容量也会增加，且最优能量分配因子也逐渐减小。

综上，本发明的方法可以得到在中继节点处能量的最优分配，同时，计算最优信道容量时，终端只需要利用统计信道估计参数以及中继节点处的能量转换效率，在实际无线通信系统中具有较好的应用前景。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。