基于波束成型的swipt中继网络中arq协议的实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及移动通信技术领域中的中继协作传输协议，特别涉及一种基于波束成 型的SWIPT(信能同传）中继网络中ARQ协议的实现方法。
【背景技术】
[0002] 中继协作通信是利用分布式单天线终端间的可用空间分集（spatial diversity) 的一种有效策略。由于无线中继网络中中继节点的自然分布特性，在资源受限或大规模的 中继网络中可以明显提高无线通信系统的性能。但当源节点发送给目的节点的数据成功解 码时，此时如果再中继就显得多余了，考虑到中继阶段要占用信道的一部分带宽，增强型中 继又或者称为协作ARQ协议被提了出来，希望取得较好的频谱效率。
[0003] 在能量约束的无线中继网络，例如无线传感器网络中，节点通常配有固定的能量 供给装置，例如，电池。如此，在充电或者更换电池不方便的场景中，中继网络的生命时间就 会受到限制。从自然环境，如太阳能、风能等收集能量给中继网络提供了新的能源供应方 式。除了这些常用的能源，从射频信号中收集能量吸引了越来越多的注意，因为收集的能量 多少易于控制。基于信能同传通信的概念，信息和能量的同时传输被提出。接着，两种实 用的接收机结构被设计了出来，分别叫做时间切换（TS)结构和功率分配（PS)结构。信能 同传通信自然而然的被应用到了中继网络，在中继网络中中继节点从源节点的射频信号中 收集能量并使用收集到的能量将源节点的信息转发给目的节点。那么，选择一个或多个合 适的中继节点对于提高系统的性能是非常重要的。然而对于能量受限的中继网络，大部分 的研宄都集中在中继节点收集能量的情况，到目前为止，还没有专门为带反馈信息的SWIPT 无线中继网络设计的中继选择协议。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供了基于波束成型的SWIPT中 继网络中ARQ协议的实现方法，与传统传输方式相比，该方法可以有效的提高系统的性能。
[0005] 为达到上述目的，本发明通过如下的技术方案予以实现：
[0006] 基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，包括以下步骤：
[0007] 1)在发送端，源节点首先向网络中的继节点及目的节点广播所要发送的数据包， 并等待来自目的节点的反馈信息，反馈信息为确认信息ACK或非确认信息NACK ;
[0008] 2)在接收端，目的节点根据接收到的数据包进行信息检测，如果信息检测正确， 则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，若否，则向源节点和中继节点广播非确认信息 NACK ；
[0009] 3)在由M个能够进行能量收集的中继组成的无线中继网络中，中继采用解码-转 发方式，若中继接收到来自目节点广播的确认信息ACK，则进行初始化，即擦除接收到的一 切信息和收集到的能量，能量恢复到初始值零；否则在正确解码的中继中选取多个中继进 行重新传输数据包的操作；其中，M>1 ;
[0010] 若源节点和中继节点接收到的信息是非确认信息NACK，则进行如下步骤：
[0011] 31)各个中继节点采用的是基于功率分流架构的能量收集模式，每个中继节点都 采用相同的功率分流比值，在由M个中继节点组成的网络中，中继节点根据事先已经确定 的功率分流比率P接收到的信息进行解码，其中，〇 < p < 1 ;
[0012] 32)待全部中继经过解码后，中继网络分为两部分，一部分是由不能正确解码的中 继组成，另一部分是由可正确解码的中继组成的集合；
[0013] 33)在能够正确解码的中继组成的集合中，中继将接收的能量作为本次发送信息 所需的能量，在正确解码的中继组合中，所有中继节点都参与到重新传输过程，此时中继不 只是简单的重新传输自己所译码正确的数据包，而是在重新传输之前先进行简单的预处 理，即每个正确解码的中继估计各自到目的节点的相位信息，记为（K，中继重新传输前乘 以该加权因子，j表示复数的虚部；经此预处理后，所有正确解码的中继同时向目的节 点重新传输自己的数据包，不需要分不同的时隙。
[0014] 本发明进一步的改进在于，步骤2)中，在接收端，目的节点根据信息检测正确与 否，若信息检测正确，目的节点则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，此时源节点将传 输下一个新的数据包；否则，则向源节点和中继节点广播非确认信息NACK，进入由中继参 与的重新传输阶段。
[0015] 本发明进一步的改进在于，步骤3)中，若该中继网络没有可正确解码的中继，则 没有由中继参与的重新传输过程。
[0016] 相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：
[0017] 本发明基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，该方法采用的是 带有反馈信息的通信系统，也即根据目的节点的反馈信息才判断是否中继参与到此次的信 息传输中，且在ARQ过程中，正确解码的中继能够被全部利用，与传统的中继网络传输而 言，并没有增加时隙的开销，可提高频谱效率；另外，本系统下，能量有限的中继网络收集 能量并用收集到的能量进行传输，中继是自给自足式的，因此也就不需要更换电池，特别是 对于处于恶劣环境（有毒、峡谷等）中。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法的流程图；
[0019] 图2为本发明中ARQ传输系统的模型框图；
[0020] 图3为本发明中信能同传中继的PS架构图；
[0021] 图4为本发明中仿真性能图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0023] 假设网络中包括一个源节点S，一个目的节点D，和M个中继节点R，hk为第k个中 继节点的前向链路的信道状态信息，g k为第k个中继节点的前向链路的信道状态信息。
[0024] 参见图1至图3,本发明基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法， 包括以下步骤：
[0025] 1)在发送端，源节点首先向网络中的继节点及目的节点广播所要发送的数据包， 并等待来自目的节点的反馈信息，反馈信息为确认信息ACK或非确认信息NACK ;
[0026] 2)在接收端，目的节点根据接收到的数据包进行信息检测，如果信息检测正确， 则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，若否，则向源节点和中继节点广播非确认信息 NACK ；
[0027] 3)在由M个能够进行能量收集的中继组成的无线中继网络中，中继采用解码-转 发方式，若中继接收到来自目节点广播的确认信息ACK，则进行初始化，即擦除接收到的一 切信息和收集到的能量，能量恢复到初始值零；否则在正确解码的中继中选取一个或者多 个中继进行重新传输数据包的操作；其中，M>1。
[0028] 其中，上述步骤2)中，在接收端，目的节点根据信息检测正确与否，若信息检测正 确，目的节点则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，此时源节点将传输下一个新的数据 包；否则，则向源节点和中继节点广播非确认信息NACK，进入由中继参与的重新传输阶段。
[0029] 其中，上述步骤3)中，若源节点和中继节点接收到的信息是非确认信息NACK，则 ARQ协议被激活。此协议的具体实施方案如下：
[0030] 采用基于波束成型（Beamforming)的ARQ协议，所述协作节点的确定具体包括以 下步骤：
[0031] 31)各个中继节点采用的是基于功率分流架构的能量收集模式，每个中继节点都 采用相同的功率分流比值，在由M个中继节点组成的网络中，中继节点根据事先已经确定 的功率分流比率P接收到的信息进行解码，其中，〇 < p < 1 ;源节点以固定功率Ps发送 信息，发送的信号为s，那么第k个中继节点接收到的信号与接收能量分别为：
[0032]
【主权项】
1. 基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 在发送端，源节点首先向网络中的继节点及目的节点广播所要发送的数据包，并等 待来自目的节点的反馈信息，反馈信息为确认信息ACK或非确认信息NACK ; 2) 在接收端，目的节点根据接收到的数据包进行信息检测，如果信息检测正确，则向源 节点和中继节点广播确认信息ACK，若否，则向源节点和中继节点广播非确认信息NACK ; 3) 在由M个能够进行能量收集的中继组成的无线中继网络中，中继采用解码-转发方 式，若中继接收到来自目节点广播的确认信息ACK，则进行初始化，即擦除接收到的一切信 息和收集到的能量，能量恢复到初始值零；否则在正确解码的中继中选取多个中继进行重 新传输数据包的操作；其中，M>1 ; 若源节点和中继节点接收到的信息是非确认信息NACK，则进行如下步骤： 31) 各个中继节点采用的是基于功率分流架构的能量收集模式，每个中继节点都采用 相同的功率分流比值，在由M个中继节点组成的网络中，中继节点根据事先已经确定的功 率分流比率P接收到的信息进行解码，其中，O < P < 1 ; 32) 待全部中继经过解码后，中继网络分为两部分，一部分是由不能正确解码的中继组 成，另一部分是由可正确解码的中继组成的集合； 33) 在能够正确解码的中继组成的集合中，中继将接收的能量作为本次发送信息所需 的能量，在正确解码的中继组合中，所有中继节点都参与到重新传输过程，此时中继不只是 简单的重新传输自己所译码正确的数据包，而是在重新传输之前先进行简单的预处理，即 每个正确解码的中继估计各自到目的节点的相位信息，记为Φρ中继重新传输前乘以该加 权因子e# k，j表示复数的虚部；经此预处理后，所有正确解码的中继同时向目的节点重新 传输自己的数据包，不需要分不同的时隙。
2. 根据权利要求1所述的基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，其 特征在于，步骤2)中，在接收端，目的节点根据信息检测正确与否，若信息检测正确，目的 节点则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，此时源节点将传输下一个新的数据包；否 贝1J，则向源节点和中继节点广播非确认信息NACK，进入由中继参与的重新传输阶段。
3. 根据权利要求1所述的基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，其 特征在于，步骤3)中，若该中继网络没有可正确解码的中继，则没有由中继参与的重新传 输过程。
【专利摘要】本发明公开了一种基于波束成型的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，该协议包括：在发送端，源节点向目的节点广播发送数据包，等待来自目的节点的反馈信息。在接收端，目的节点根据接收到的信息进行检测，如果正确接收该信息，目的节点则会广播确认信号ACK，源节点接收到该信号以后则继续传输下一个新的数据包，否则目的节点则会广播非确认信号NACK，此时，中继网络中正确解码的中继根据本发明中波束成型方法进行预处理，然后进行数据包的重新传输。
【IPC分类】H04L1-16
【公开号】CN104579594
【申请号】CN201410799773
【发明人】张超, 陈亚伟
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月18日