本发明涉及无线通信中继领域，特别是指一种基于信息能量同时传输的中继协作方法。
背景技术：
近年来随着无线通信技术的不断突破和发展，使其能够应用在许多条件苛刻或特殊的环境中，例如，部署在恶劣环境(高温、高压、高辐射)下的无线传感器网(wirelesssensornetworks,wsn)、嵌入到建筑物内部的环境感知传感器件以及植入到人体内的医疗设备等。这些网络中的传感器由于受到环境条件的限制无法通过有线的方式连接到供电系统中，因此通常是由容量有限的电池来供电，一旦电池耗尽，就需要通过充电的方式来延长设备的使用寿命，而很多情况下传统的充电方式很难实现，如抛撒在敌军战场上的传感器件和嵌入到人体内部的心脏起搏器等，如果不能为这些能量受限的设备提供持续的电能供应会使网络的通信质量和使用寿命受到有限电池容量的制约。因此，能否找到一种有效手段来为能量受限设备提供连续且稳定的电能供应，成为延长网络生存时间、提高通信质量的关键。
能量收集(energyharvesting，eh)技术使这一想法成为可能。事实上，人类利用太阳能的历史已经有3000多年，利用风能的历史也可以追溯到西元前，但其真正作为新能源和动力被加以大规模利用却是近几十年的事情。自二十世纪七十年代的世界石油危机以来，以太阳能和风能利用为代表的传统能量收集技术得到了长足发展，并被广泛应用于各行各业的生产中。传统的能量收集主要是指从周围的自然环境中采集能量(如风能，太阳能振动能，地热能，潮汐能等)，其缺点是这些来自于自然环境的能源对外界环境的依赖性大，因此不容易控制，这一缺点限制了其在一些要求高度可靠性的行业中的应用，比如军事和医疗方面。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种基于信息能量同时传输的中继协作方法，以解决现有技术所存在的能力收集对外界环境的依赖性大的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于信息能量同时传输的中继协作方法，包括：
针对时间转换接收机，采用基于时间转换的协作多用户传输协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输；
针对能量分割接收机，采用基于能量分割的协作多用户传输协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输；
其中，所述中继包括：信息接收机和能量接收机，所述信息接收机用于对接收到的射频信号进行处理，所述能量接收机用于从接收到射频信号中收集能量。
进一步地，在基于时间转换的协作多用户传输协议中，设t为多用户传输的总时间，其中，时间ρt用作中继从收到的信号中收集能量，剩余时间(1-ρ)t用来作为传输信号，ρ表示能量收集时间因子。
进一步地，设源节点为s、中继为r、目的地节点为d1和d2、源节点s发送的射频信号为x1和x2；
所述针对时间转换接收机，采用基于时间转换的协作多用户传输协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输包括：
源节点s通过中继r的协助向目的地节点d1和d2分别发送独立的信号x1和x2；
收集能量的时间ρt被平均分为两部分，每个ρt/2的时间间隔用作r的能量接收机从s广播的信号xi中收集能量；传输信号的时间(1-ρ)t被平均分为三部分，在前两个时间间隔(1-ρ)t/3内，s分别用发送功率pi只广播信号xi，在最后一个时间间隔(1-ρ)t/3内，r的信息接收机接收s广播的信号x1和x2并进行处理，得到基带信号yr,1和yr,2，将yr,1和yr,2进行组合，形成新的信号xr，并根据收集到的能量，利用r的发送功率pr广播信号xr，其中，i＝1,2。
进一步地，在针对时间转换接收机，采用基于时间转换的协作多用户传输协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输之后，所述方法还包括：
确定源节点到目的节点的链路互信号；
确定所述链路互信号低于预设的目标速率的概率，其中，所述概率为基于时间转换的协作多用户传输协议下非线性能量收集模型中断概率。
进一步地，在基于能量分割的协作多用户传输协议中，传输过程由三个阶段组成，设总传输时间为t，采用相等的时隙划分，则每个阶段持续t/3的时间。
进一步地，设源节点为s、中继为r、目的地节点为d1和d2、源节点s发送的射频信号为x1和x2；
所述针对能量分割接收机，采用基于能量分割的协作多用户传输协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输包括：
在第i个阶段，s以发送功率pi广播信号xi，i＝1,2，r的能量接收机从s广播的信号xi中收集能量，r的信息接收机接收s广播的信号x1和x2并进行处理，得到基带信号yr,1和yr,2；
在第三个阶段，r将前两个阶段接收到的信号yr,1和yr,2进行组合，形成新的信号xr，根据收集的能量利用发送功率pr广播信号xr；
其中，αi为第i个阶段的能量分割因子，hs,r表示s→r链路的信道。
进一步地，在针对能量分割接收机，采用基于能量分割的协作多用户传输协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输之后，所述方法还包括：
确定源节点到目的节点的链路互信号；
确定所述链路互信号低于预设的目标速率的概率，其中，所述概率为基于能量分割的协作多用户传输协议下非线性能量收集模型中断概率。
进一步地，当能量接收机接收到的功率到达预设的功率阈值时发送功率呈非线性；
所述非线性能量收集模型中接收功率和发送功率的关系表示为：
其中，α表示能量分割因子，η表示能量转换效率，ps表示接收功率，pth表示预设的功率阈值，||||f表示f-范数。
进一步地，采用能量分割的协作多用户传输协议的非线性能量收集模型中断概率在高信噪比条件下的近似表达式中断概率为：
a＝η(α1p1+α2p2)θ1
c＝1
其中，r0、a、b、c都表示系数，ωs,r表示信道hs,r的方差，ωs,1表示信道hs,1的方差，hs,1表示s→d1链路的信道，η为能量转换效率，θi表示第i阶段的功率重分配因子，高信噪比为超过预设的第一阈值的信噪比。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，针对时间转换接收机，采用基于时间转换的协作多用户传输协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输；针对能量分割接收机，采用基于能量分割的协作多用户传输协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输；其中，所述中继包括：信息接收机和能量接收机，所述信息接收机用于对接收到的射频信号进行处理，所述能量接收机用于从接收到射频信号中收集能量；这样，中继的能量完全来自于通信网络中的射频信号，对外界环境的依赖性小。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于信息能量同时传输的中继协作方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的中继位置示意图；
图3为本发明实施例提供的tscmt协议描述示意图；
图4为本发明实施例提供的tscmt协议描述示意图；
图5为本发明实施例提供的非线性能量收集模型中接收功率和发送功率的关系示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的能力收集对外界环境的依赖性大的问题，提供一种基于信息能量同时传输的中继协作方法。
如图1所示，本发明实施例提供的基于信息能量同时传输的中继协作方法，包括：
s101，针对时间转换(timeswitching，ts)接收机，采用基于时间转换的协作多用户传输(timeswitching-basedcooperativemultiusertransmission,tscmt)协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输；
s102，针对能量分割(powersplitting，ps)接收机，采用基于能量分割的协作多用户传输(powersplitting-basedcooperativemultiusertransmission,pscmt)协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输；
其中，所述中继包括：信息接收机和能量接收机，所述中继包括：信息接收机和能量接收机，所述信息接收机用于对接收到的射频信号进行处理，所述能量接收机用于从接收到射频信号中收集能量。
本发明实施例所述的基于信息能量同时传输的中继协作方法，针对时间转换接收机，采用基于时间转换的协作多用户传输协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输；针对能量分割接收机，采用基于能量分割的协作多用户传输协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输；其中，所述中继包括：信息接收机和能量接收机，所述信息接收机用于对接收到的射频信号进行处理，所述能量接收机用于从接收到射频信号中收集能量；这样，中继的能量完全来自于通信网络中的射频信号，对外界环境的依赖性小。
本实施例中，设源节点为s、中继为r、目的地节点为d1和d2、源节点s发送的射频信号为x1和x2，中继r放置在由s，d1和d2三点组成的三角形的高线上，如图2所示。
本实施例中，源节点s通过af中继r的协助向目的地节点d1和d2分别发送独立的信号x1和x2；其中，源节点s由电源供电，而能量受限的中继r没有外界的电能供应，因此，r需要从s发送的射频信号中收集能量，并将收集到的能量用于协作s到d1和d2的信号传输，因此r要同时具备信息处理和能量收集的功能，就要同时配备信信息接收机和能量接受机，以及合适的协作协议。
本实施例中，针对时间转换接收机提出中继协议tscmt，针对能量分割接收机提出中继协议pscmt，这样，可以使得能量受限的放大转发(amplifyandforward，af)中继r能够具备信息处理和能量收集的功能，所述中继包括：信息接收机和能量接收机，两种协议描述如图3和图4所示。
本实施例中，假设系统中所有节点都配置单根天线并采用半双工的工作模式，中继采用af的协作方式。系统中所有信道都服从瑞利分布，且为平坦的块衰落信道，其中，如图4所示，信道hi,j(i,j∈s,r,1,2)是均值为0，方差为ωi,j的独立圆对称复高斯随机变量，即hi,j～cn(0,ωi,j)，用di,j表示节点间的距离，m为路径损耗指数。
在前述基于信息能量同时传输的中继协作方法的具体实施方式中，进一步地，在基于时间转换的协作多用户传输协议中，设t为多用户传输的总时间，其中，时间ρt用作中继r从收到的信号中收集能量，剩余时间(1-ρ)t用来作为传输信号，ρ表示能量收集时间因子，0≤ρ≤1。
本实施例中，所述针对时间转换接收机，采用基于时间转换的协作多用户传输协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输包括：
步骤c1，源节点s通过中继r的协助向目的地节点d1和d2分别发送独立的信号x1和x2，用户d1，d2和中继r都能收到此信号；
步骤c2，收集能量的时间ρt被平均分为两部分，每个ρt/2的时间间隔用作r的能量接收机从s广播的信号xi中收集能量，当s广播完信号x1和x2，r已经从s广播的信号中收集了e1+e2的能量；传输信号的时间(1-ρ)t被平均分为三部分，在前两个时间间隔(1-ρ)t/3内，s分别用发送功率pi只广播信号xi，在最后一个时间间隔(1-ρ)t/3内，r的信息接收机接收s广播的信号x1和x2并进行处理，得到基带信号yr,1和yr,2，将yr,1和yr,2进行组合，形成新的信号xr，并根据收集到的能量e1+e2，利用r的发送功率pr广播信号xr，其中，i＝1,2。
本实施例中，以s→d1的传输链路为例分析，先分析线性能量收集模型的中断性能，并给出基于时间转换的协作多用户传输协议下线性能量收集模型中断概率的闭式表达式为
本实施例中，接着，提出非线性能量收集模型下，基于时间转换的协作多用户传输协议的中断概率，中断概率的求解步骤为：对于af协作通信系统，首先求出源节点到目的节点的链路互信号，再求解链路互信号低于目标速率的概率，得到非线性能量收集模型下基于时间转换的协作多用户传输协议的中断概率；具体的：
通过最大比合并(maximalratiocombining,mrc)技术，将d1收到的两份信号x1副本进行合并，得到s→d1传输链路的互信号i1；
给定目标速率rt，设s→d1互信号低于设定的目标速率rt时会导致中断的发生，根据互信号i1，确定基于时间转换的协作多用户传输协议下非线性能量收集模型中断概率。
在前述基于信息能量同时传输的中继协作方法的具体实施方式中，进一步地，pscmt协议的传输过程由三个阶段组成，设总传输时间为t，采用相等的时隙划分，则每个阶段持续t/3的时间。
在前述基于信息能量同时传输的中继协作方法的具体实施方式中，进一步地，设源节点为s、中继为r、目的地节点为d1和d2、源节点s发送的信号为x1和x2；
所述针对能量分割接收机，采用基于能量分割的协作多用户传输协议使得能量受限的中继具备信息处理和能量收集的功能，实现信息能量同时传输包括：
步骤f1,在第i个阶段，s以发送功率pi广播信号xi，i＝1,2，d1，d2和r都能收到此信号，其中，r的能量接收机从s广播的信号xi中收集能量
步骤f2，经过前两个阶段，r从s发送的信号中已经收集了e1+e2的总能量，将收集的能量e1+e2全部用于第三阶段的广播，在第三个阶段，r将前两个阶段接收到的信号yr,1和yr,2进行组合，形成新的信号xr，根据收集的能量利用发送功率pr广播信号xr，
其中，0≤αi≤1为第i个阶段的能量分割因子，hs,r表示s→r链路的信道，0≤η≤1为能量转换效率，nr,i为在第i个阶段的均值为0，方差为1的加性高斯白噪声。
本实施例中，xr的组合方式与tscmt协议相同，xr＝ξ1yr,1+ξ2yr,2，其中，ξ1、ξ2表示信号yr,1和yr,2组合成xr的组合系数。
本实施例中，经过第三阶段的广播，d1和d2收到的信号表示为：
其中，nd,i表示di处均值为0，方差为1的加性高斯白噪声，i＝1,2。
本实施例中，d1从接收到的信号yd,1中去除干扰项x2得到的去除干扰后的信号为：
本实施例中，以s→d1的传输链路为例分析，先分析线性能量收集模型的中断性能，并给出基于能量分割的协作多用户传输协议下线性能量收集模型中断概率的闭式表达式为
本实施例中，接着，提出非线性能量收集模型下，基于能量分割的协作多用户传输协议的中断概率，中断概率的求解步骤包括：对于af协作通信系统，首先求出源节点到目的节点的链路互信号，再求解链路互信号低于目标速率的概率，得到非线性能量收集模型下基于能量分割的协作多用户传输协议的中断概率；具体的：
与tscmt协议相同，通过最大比合并技术，将d1在第一阶段和第三阶段收到的两份信号x1的副本进行合并，得到s→d1传输链路的互信号
给定目标速率rt，设s→d1互信号低于设定的目标速率rt时会导致中断的发生，根据互信号i1，确定基于能量分割的协作多用户传输协议下非线性能量收集模型中断概率。
本实施例中，所述非线性能量收集模型包括：二极管、感应器和电容，线性模型不适用，作为对线性模型的改进，所述非线性能量收集模型能捕获实际电路的饱和特性，当能量接收机接收到的功率到达预设的功率阈值时发送功率呈非线性。
本实施例中，如图5所示，所述非线性能量收集模型中接收功率和发送功率的关系表示为：
其中，ps表示接收功率，pth表示预设的功率阈值，||||f表示f-范数。
本实施例中，采用pscmt协议，非线性能量收集模型中断概率在高信噪比条件下的近似表达式中断概率可以表示为：
a＝η(α1p1+α2p2)θ1
c＝1
其中，r0、a、b、c都表示系数，ωs,r表示信道hs,r的方差，ωs,1表示信道hs,1的方差，hs,1表示s→d1链路的信道，η为能量转换效率，θi表示第i阶段的功率重分配因子，高信噪比为超过预设的第一阈值的信噪比。
本实施例中，对于相同的源发送功率，pscmt协议与tscmt协议相比能达到更低的系统中断概率。此外，提出的能量收集多用户协作传输协议与传统的非协作传输协议相比，能有效降低系统的中断概率。由于协作中继的能量完全来自于通信网络中的射频信号，提出的协议在降低系统中断概率的同时并不增加额外的能耗；此外，仿真结果表明，中继节点距离源节点较近时可以获得更低的中断概率，这也为实际中继位置的选择提供了指导。
综上，本实施例所述的基于信息能量同时传输的中继协作方法，针对非线性能量收集模型中接收功率和出输出功率的特点，推出非线性能量收集模型中的中断概率，中继协作多用户传输系统中的swift技术，并对非线性此能量收集系统的中断性能进行了分析。仿真实验证明了理论分析的正确性，同时反映了源节点发送功率和中继位置对系统中断概率的影响。提出的能量收集多用户协作传输协议与传统的非协作传输协议相比，能有效降低系统的中断概率。由于协作中继的能量完全来自于通信网络中的射频信号，提出的协议在降低系统中断概率的同时并不增加额外的能耗，这也为实际中继位置的选择提供了指导。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。