引 4)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。其系统吞吐量由两跳 吞吐量的最小值确定，为了最大化最终的吞吐量，有相应的最优算法和低复杂度算法。
[0046] 步骤2)中考虑到在第一跳结束后，第一跳的吞吐量可W表示为
[0048] 其中心是源节点到第i个中继节点的信道状态，X1是工作模式的选择变量，Pg是 发送端的功率，N。是噪声功率。
[0049] 另一方面，各个中继节点也会捕获能量，在捕获阶段无法进行合作，所W每个节点 分别捕获各自的能量，第i个中继节点捕获到的能量为吗=，06 是能量传输效率，T则是传输的时隙，其中第一跳占n时间，〇<n<1。继而在能量合作 阶段，各个节点之间相互传输能量，所W在发送前总共拥有的能量为
[0050] ￡', =e, +A+ _P广
[0051] 步骤3)中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，即有一个能量打折因子P，由于能量守恒，所W有
[0053] 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。首先每个中继节点会根据没有能量合作之 时得到当前最佳的功率分配水面值
的值则是由已有的有色信道的注水功率分配法 则所确定，即
[0057] 然后考虑能量合作，先设置
小于水面的中继需要从其他
中继获得能量，而大于水面
的中继则会发送功率给其他的中继节点，运样完成一次能量 合作的过程。然后再根据
可化得 至晦个中继节点化+和换-的值。
[0058] 特别地，运个水面的调整过程还需要满足能量守恒的条件ElLiPi+二 PIfUPr.，所W为了满足运个条件，需要不断重复运个能量合作过程直到确定最终的曰， 运个迭代过程算法的详细流程如下所示。
[0059] 算法1 (各中继节点之间的能量合作算法）
[0060] Sl、初始化，将每个A1的初值设置成
[0062] S3、重复S2直到IeI小于给口限，从而得到没有能量合作情况下的功率的初始分 配值
[0063] S4、先4
。对每一个中继，如果Ai-Q> 0,则
如果-A1+ea> 0,则
，然后重新计算
[0064]Sf5、重复S2步骤直到SiUA+ -PS告1:供-小于给定口限值。
[006引S6、返回Pi、Pi+、.巧-的值。
[0066] 经过能量合作后，因为各个中继节点根据自身和信道状态，最终的水面有
两个，所W呈现两级注水的特性。在未进行能量合作时，每个中继节点都是参差不齐的水 面，而进行了能量合作后，发送能量的中继节点水面都变为同一个水面，即
，而接收能量 的中继节点的水面都变为另一个水面，即.而处于
两个水面之间的中继节点不需要
进行能量合作。
[0067] 步骤4)所考虑的在第二跳中，合作中继节点进行信息上的合作。运个合作使得N 个中继节点形成虚拟多天线装置，一起采用最大比合并编码（MRT)，发送给目的节点。运个 过程是一个MISO信道，并且每个天线所使用的功率Pi则是经过两级注水之后所得到的，所 W运一跳的吞吐量可W表示为
[0069] 其中hid是第i个中继节点到目的节点的信道状态。因为在信道中采取了解码转 发值巧方式，系统的吞吐量由两跳中的最小值所确定，由此系统总的吞吐量有
[0070] R=min^i，R2)
[0071] 因为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)。算法2 (各中继节点信息和能量接收选择算法）
[0074] S3、对Ai(Xi)进行排序，其中i'是i在排序后对应的标号，重置Xi. = 0。
[007引S4、j从1开始到N,令Xj. = 0,使用算法1得到Pi、巧+、巧' 的值，计算 尔=EfLl%巧一Sf=I怎撕，如果I4I<I。I，则。=4，并记录下此时Pi、巧十、巧-和 Xi的值。
[0076] S5、重复S2、S3、S4过程n次，n事先给定。
[0077] S6、返回 Pi、A.+、巧-和 Xi的值。
[0078] 通过计算机仿真表明，在能量严重受限的情况下，可W很明显的看出本发明方法 相对于有信息合作但没有能量合作W及没有任何合作的随机系统的优越性。两级注水方 案可W有效地提高能量的利用率，从而使得系统的性能获得较大的提高，另外还可W从图2 中看到本发明方案中低复杂度算法性能非常接近于最优算法的性能。从图3可W看出本发 明方案可W在较小的迭代次数下获得较好的性能。图4显示了不同的0下有能量合作和 没有能量合作机制下的性能差距。当P较小时，有能量合作的性能和没有能量合作的性能 差距较小，因为运时候能量合作带来的性能损失过大使得能量合作在多数情况下是不启用 的。而0较大时，有能量合作的系统比没有能量合作的系统性能要好很多，因为两级注水 式的能量合作可W有效地提高能量利用率。
【主权项】
1. 一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法，其特征在于：包括如下步骤： 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 码以备转发，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； 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，以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β ; 所述的两级注水准则为： S1 :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； S2:设置变量其中max( λ J为所有中继节点的水面高度的倒数 最大值，min ( λ J为所有中继节点的水面高度的倒数最小值； 53 :各个中继节点以第二跳吞吐量最大化为目标进行能量合作，每个水面高于继节点传输能量给水面低于的中继节点； a 54 :不断迭代S2、S3过程，直到每个水面高于面低于iI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 a a 守fe ; 3) 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。2. 根据权利要求1所述的一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法，其特征 在于：所述的步骤1)中第一跳的吞吐量R1表示为：其中hsl是源节点到第i个中继节点的信道状态，X i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； 第i个中继节点捕获到的能量为是能量传输效率，T 则是传输的时隙，其中第一跳占 η时间，〇 < η < 1，/以为hsl的共辄；在能量合作阶段， 在发送前第i个中继节点拥有的能量E1为：其中：为第i个中继节点接收到的能量，m-为第i个中继节点发送的能量。3. 根据权利要求1所述的一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法，其特征 在于：所述的步骤2)中能量守恒为：经过能量合作后，各个中继节点根据自身和信道状态，最终的水面有呈 现两级注水的特性，而处于水面之间的中继节点不需要进行能量合作。4. 根据权利要求1所述的一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法，其特征 在于：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 ? 1是经过两级注水之后所得到的，第二跳的吞吐量R2表示为：其中hld是第i个中继节点到目的节点的信道状态。
【专利摘要】本发明公开了一种无线能量传输供电的中继系统的能量合作方法。它的步骤为：采用两跳的解码转发机制。在第一跳中，源节点发送消息给多个中继节点，中继节点可以选择解码信息或者进行能量捕获，将源节点信号转换成能量并存储到电池中。而在第二跳中，各个中继节点根据能量状态，选择合适的功率将源节点的信息转发给目的节点。同时，中继节点在选择合适的功率时，相互之间可以进行能量合作，并通过两级注水功率分配优化系统吞吐量。本发明可用于具有多个合作式中继，并且通信设备具有无线电能量捕获电路的无线网络中，节点间进行能量合作的机制。
【IPC分类】H04W40/22, H04W52/46, H04B7/04
【公开号】CN105188106
【申请号】CN201510615794
【发明人】汪恒智, 王玮, 张朝阳
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月24日