一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线通信领域，具体设及一种无线能量传输供电的中继系统的能量合 作方法。
【背景技术】
[0002] 随着数据通信与多媒体业务需求的发展，有着更大容量，更快传输速率的下一代 无线通信技术的相关研究已经在学术界和工业界广泛展开，为更加有效地利用带宽资源、 提高网络容量，给用户提供更优质的服务质量（QoS)，同时降低系统功耗，实行绿色通信，很 多新的物理层技术，如多天线（MIMO)技术，中继技术，能量捕获技术已被提出，并逐渐成为 学术界和业界所共同关注的焦点。运些技术的结合将能极大的提升系统的性能，同时又可 W提高系统的能量效率，有效地节约能量，从而满足当今通信业务发展的需求。
[0003] 在一些能量有限制的无线网络中，比如无线传感器网络、无线自组网（Adhoc)等， 网络的能量限制在实际网络的设计和工作当中都是重要的考虑点，因为运些传感器节点和 无线节点通常都是由有限的能量供应设备提供能量的，现如今一般都是电池供电。运种能 量有限设备的使用寿命则是如今网络设计当中的重点考虑因素，也正因为如此，可W从无 线信号当中捕获能量的设备成为了未来网络设计中的热点。运种能够捕获无线信号能量的 设备有着许多的实用优点，比如广泛的工作范围，生产成本低，小型接收器的外形，并且因 为电磁波的广播特性而有着高效并且丰富的能源来源。不仅如此，在节点与节点之间也可 W用无线通信的方式来进行信息和能量上同时的合作，不同节点之间相互信息的共享和能 量的传输可W使得网络的性能能够进一步地提高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是利用机会式转发中继系统中的合作和能量捕获的特点，设计出一 种中继系统之间信息转发和能量合作的机制。
[0005] 无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法的步骤如下：
[0006] 一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法，包括如下步骤：
[0007] 1)源节点和中继节点之间进行第一跳通信：源节点发送信号给中继节点，各个中 继节点根据当前的信道状态信息决定是接收信息还是接收能量，接收信息的中继节点将 信息解码W备转发，接收能量的中继节点将源节点信号的能量进行收集，并存储到电池当 中；
[0008] 2)在第一跳通信结束后，中继节点之间进行合作：一方面各个中继节点之间共享 信息，形成一个虚拟多天线装置，进行联合译码；另一方面中继节点之间采取两级注水准则 相互传输能量从而实现能量合作，W提高在第二跳时系统的吞吐量；将传输后获得的能量 与传输前发送的能量之比作为能量传输打折因子0 ;
[0009] 所述的两级注水准则为：
[0010] Sl:每个中继节点根据传统注水法则确定相应中继节点在没有能量合作时功率的 水面，第i个中继节点的水面高度为
I用于第二跳通信；
[0011] S2:设置变量
，其中max(A1)为所有中继节点的水面高度的 倒数最大值，min(A1)为所有中继节点的水面高度的倒数最小值；
[0012]S3:各个中继节点W第二跳吞吐量最大化为目标进行能量合作，每个水面高于
的中继节点传输能量给水面低子
的中继节点；
[0013]S4:不断迭代S2、S3过程，直到每个水面高于
的中继节点传输
的能量给 水面低于的中继节点，每个水面低于的中继节点接收
的能量为止，从而满足能量
守恒；
[0014]如在完成能量合作后，中继节点将信息转发给目的节点，实现第二跳：中继节点 进行信息上的合作，形成虚拟多天线装置，所有中继节点一起采用最大比合并编码，发送给 目的节点；目的节点接收到信息并进行解码，获得源节点发送的信息。
[0015] 所述的步骤1)中第一跳的吞吐量Ri表示为：
[0017] 其中心是源节点到第i个中继节点的信道状态，X1是第i个中继节点的工作模式 的选择变量，Ps是发送端的功率，N。是噪声功率，N为中继节点数量；
[001引第i个中继节点捕获到的能量为％ =知作(1 -如，e6是能量传输效 率，T则是传输的时隙，其中第一跳占n时间，0<n< 为hu的共辆；在能量合作 阶段，在发送前第i个中继节点拥有的能量Ei为：
[001引馬二:巧+化+'-巧-
[0020] 其中：觀+为第i个中继节点接收到的能量，供-为第i个中继节点发送的能量。
[0021] 所述的步骤2)中能量守恒为：
[0023] 经过能量合作后，各个中继节点根据自身和信道状态，最终的水面有
两个， 呈现两级注水的特性，而处于1和^两个水面之间的中继节点不需要进行能量合作。 aP^
[0024] 所述的步骤3)中的虚拟多天线装置形成一个MISO信道，并且每个天线所使用的 功率Pi是经过两级注水之后所得到的，第二跳的吞吐量R2表示为：
[002引其中hid是第i个中继节点到目的节点的信道状态。
[0027]本发明与现有技术相比具有的优点是：利用机会式转发的中继系统中节点可W捕 获能量的特性，设计出一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法，使得系统不但 能够有效提高性能，同时也在在能量受限的前提下，尽可能的提高单位能量的使用效率，实 现在节约能量的同时提高消息传输的吞吐量。除了使用两级注水方法可W有效提高能量利 用率，优化系统的性能外，还能够有效使用天线选择算法降低复杂度：中继在第一跳选择进 行信息接收的时候是有利于第一跳的吞吐量的，而在一跳选择能量捕获时候是有利于第二 跳的吞吐量的，所W中继在模式选择的时候应当即考虑第一跳的吞吐量又考虑第二跳的吞 吐量，W使得总的吞吐量能够最大，运个原有的天线选择算法复杂度较大。而本发明中所使 用的天线选择低复杂度算法，可W将算法的复杂度从0(2^)降为0(NIogN)。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明的两跳转发过程示例；
[0029] 图2是本发明方法在最优算法W及低复杂度算法和传统方法的性能比较；
[0030]图3是本发明方法的算法迭代次数与性能之间的比较；
[0031] 图4是本发明方法在不同的能量传输打折因子0下性能的比较；
【具体实施方式】
[0032]W下结合附图进一步说明本发明。
[0033] 在有着无线信号捕获能力的网络当中，我们可W充分利用网络中节点的信息和能 量合作的能力。源节点将要发送给目的地节点的数据转发给靠近它的一些中间转发节点， 转发节点不仅仅帮助源节点转发信息，并且同时捕获能量W提供自己电路工作的需要，同 时不同节点间也进行着能量的合作，W合适的能量合作方法来提高系统的吞吐量。
[0034] 我们采用两跳转发机制，消息拷贝从源节点到目的节点的转发过程如图1所示。 其中S代表源节点。圆圈中的各个节点表示合作式中继节点，用R表示。D代表目的节点。 源节点可W发送信息给中继节点，中继节点即可W接收信息，并将消息转发给目的地节点， 同时也可W捕获能量，W供自己信息转发的电路所使用。
[0035] 假定系统中有N= 8个中继节点。路径损失因子m= 2,能量打折因子是0 = 0. 8,能量传输效率因子0。二0. 5。
[0036] 无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法的步骤如下：
[0037] 1)将系统建模成一个由无线节点组成的1-N-1两跳模型，其中N是合作式中继节 点的数目。假定所有中继节点通过某种合作方式能够相互之间进行信息和能量上的合作， 形成一个虚拟MIMO装置。
[0038] 2)源节点发送信号给中继节点，各个中继节点会根据当前的信道状态信息来决定 是收信息还是收能量，接收信息的中继节点将信息解码W备转发，接收能量的中继节点将 源节点信号的能量收集下来，并存储到电池当中。中继之间会进行合作，合作包括信息方面 和能量方面，两者同时进行。考虑到各个中继节点是独立的节点，在进行能量合作时会有能 量上的损失，即有一个能量传输打折因子0。
[0039] 3)在第一跳通信结束后，中继节点之间进行合作：一方面各个中继节点之间共享 信息，形成一个虚拟多天线装置，进行联合译码；另一方面中继节点之间采取两级注水准 则相互传输能量从而实现能量合作，W提高在第二跳时系统的吞吐量；将传输后获得的能 量与传输前发送的能量之比作为能量传输打折因子P;由于有运个打折因子的存在，合作 中继之间的并不能像传统多天线一样进行注水法则的功率分配，而是采取一个两级注水准 则。
[0040] 所述的两级注水准则为：
[0041] Sl:每个中继节点根据传统注水法则确定相应中继节点在没有能量合作时功率的 水面，第i个中继节点的水面高度为
-用于第二跳通信；
[004引 S2:设置变量
其中max(Al)为所有中继节点的水面高度的 倒数最大值，min(A1)为所有中继节点的水面高度的倒数最小值；
[0043] S3:各个中继节点W第二跳吞吐量最大化为目标进行能量合作，每个水面高于
的中继节点传输能量给水面低于
的中继节点；
[0044] S4 :不断迭代S2、S3过程，直到每个水面高于
的中继节点传输
的能量给 水面低于的中继节点，每个水面低于的中继节点接收
的能量为止，从而满足能量
守恒；
[004