一种信能同传中继网络中的协作传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种信能同传网络中的中继协作传输方法。
【背景技术】
[0002] 中继协作技术通过节点间的相互协作，为目的节点构造"虚拟多天线阵列"从而使 接收端获得较高的分集增益，可很好地对抗阴影衰落、多径衰落等的影响。该技术作为提升 无线通信系统传输可靠性和传输覆盖范围等的有效途径，受到了广泛的关注和研究。
[0003] 在协作中继网络中充当中继的节点并非都是充足供能的基站，而往往是一些储能 有限的小型终端，这使得系统的性能受限于协作节点所具有的能量。针对节点能量受限问 题，2014 年 Ioannis Krikidis 等人在 "IEEE Communications Magazine"（《国际电气电 子工程师协会通信杂志》）（2014年11月）发表的"Simultaneous Wireless Information andPower Transfer in ModernCommunication Systems"（《信能同传技术在现代通信系统 中的应用》）提出了信能同传技术，可使节点在接收信息的同时从承载信息的射频信号中提 取能量用于自身能量补充，达到信息与能量的并行传输，可有效延长网络生存时间、提升系 统的性能。针对信能同传的协作中继网络，已有研究从节点的能量收集、功率的分离比率、 中继选择方法等对系统进行优化和设计。在信能同传的协作中继网络中，中继节点从源节 点发射的信号中解调源节点发送的信息，同时将射频能量转化为电势能储存在自身的储能 装置中，在下一时隙消耗节点自身的能量协助源节点进行数据转发。在现有的研究中，并未 考虑到中继节点在单位时隙内进行数据转发的最低能量开销。这样一方面，仅依靠信道质 量所选择出的中继节点，有可能会因为节点的能量较少不能完成协作转发。使得网络的分 集增益既受限于网络中继节点的个数，同时也受限于节点自身的能量状态；另一方面，在中 继节点储存能量较少的情况下，若与储存能量较多的中继节点采用相同的功率分离比率， 不利于能量较少的中继节点进行能量收集，从而影响系统的整体性能。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有技术的不足，本发明旨在联合考虑信道质量、节点能量状态、节点能 量收集，提出一种信能同传中继网络中的协作传输方法，实现可根据中继节点不同的能量 状态调整每个中继节点的协作策略与能量收集策略，使系统的性能得到相应的提升。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种信能同传中继网络中的协作传输方法，包括至少一个源节点和目的节点，以 及至少两个中继节点；所述方法包括如下步骤：
[0007] S1源节点向中继节点发送数据包，各中继节点根据自身的能量状态判断是否对源 节点进行协作；
[0008] S2若中继节点对源节点进行协作，则对源节点发送的信息进行解码并进行能量收 集；若中继节点不对源节点进行协作，则仅从源节点发送的信号中进行能量收集；
[0009] S3所有参与协作且对源节点发送的信息能正确译码的中继节点，测量自身与目的 节点间链路的瞬时信道增益，根据测量结果进行协作中继选择，并由被选择的中继协作转 发源节点发送的数据包。
[0010] 需要说明的是，步骤S1的具体实施如下：
[0011] 1.1)源节点S对将要发送的数据包进行编码和调制后，将信号以Ps的功率发送给 中继节点Ri，i e {1，...，N}，N为网络中中继节点的总数；
[0012] 1. 2)各中继节点将自身所储存的能量Ep i e {1，...，N}与设定的两个能量门限 匕和E _进行判决比较：对于任意中继节点R i，若Ei彡E。则该中继节点R ^替直接参与中继 协作，若E。〉E i该中继节点R ^替以概率p参与中继协作，以概率Ι-p不参与中继 协作，若Ei< E _则该中继节点R i不参与中继协作。
[0013] 进一步需要说明的是，在E。〉E E_条件下中继节点1^是否参与协作的判决， 按如下步骤进行：
[0014] a)中继节点民均产生一个0到1以内的随机数；
[0015] b)中继节点民将自身产生的随机数与预定的概率门限值p进行比较；
[0016] c)当所产生随机数小于或等于预定的概率门限值p时将中继节点民自动参与协 作，当所产生随机数大于预定的概率门限值P时中继节点民不参与协作。
[0017] 进一步需要说明的是，E。为每时隙数据传输的能量开销，E_S最低能量门限，两 者的取值由下式决定：
[0020] 其中，匕为中继节点的额定发射功率，A为能量约束因子，A e [0，1]，η为能量转 化效率，λ为功率分离比，λ e [0，l]，i为源节点S到中继节点的平均链路增益，Τ为单 个时隙的时间间隔。
[0021] 进一步需要说明的是，步骤S2的具体方法如下：
[0022] 2. 1)参与中继协作的所有中继节点Rk，测量其与源节点S链路的瞬时信道增益hs, 及与目的节点D链路的瞬时信道增益gk,D，k e {1，...，κ}，κ为参与中继协作的中继节 点的总数；并采用λ的功率分离比率来进行能量的收集并将收集到的能量储存于节点的 储能装置中，采用l-λ的功率分离比率来进行源节点信息的解码处理，中继节点存在一个 最大储能容量Ε_，当中继储存的能量超过该值便不能继续储存能量；
[0023] 2. 2)不参与中继协作的所有中继节点R,，对源节点发送的信息不进行解调，而是 将所有的功率用于能量的收集并将收集到的能量储存于节点的储能装置中，j e {1，...， J}，J为不参与协作的中继节点的总数。
[0024] 需要说明的是，步骤S3的具体方法如下：
[0025] 3. 1)所有参与协作且对源节点发送信息成功解码的中继节点R"，根据其与目的节 点D链路的瞬时信道增益gni,D进行协作中继选择，从中选出最优中继R'作为协作中继进行 数据转发，m e {1，...，Μ}，Μ为参与协作且成功解码的中继节点的总数；
[0026] 3. 2)被选出的最优中继R'将源节点S发送的数据重新编码后，将编码后的数据 包以额定功率匕发送给目的节点D ;
[0027] 3. 3)目的节点D在收到最优中继W发送的信号后，将对该信号进行解码。
[0028] 进一步需要说明的是，步骤3. 1)中选出最优中继R'作为协作中继的方法如下：
[0029] 3. 1. 1)所有参与协作且成功解码的中继将本地时钟初始时间设定为
，其中5^：为中继节点到目的节点的平均链路增益，t。为单位倒计时时间；
[0030] 3. 1. 2)所有参与协作且成功解码的中继节点同时从各自的初始时间t "向0进 行倒计时；
[0031] 3. 1. 3)率先完成倒计时的中继节点V向其他中继广播中继选择完成的信令，其 中W与源节点S处瞬时信道增益记为hs,R,，R'与目的节点D处瞬时信道增益记为gR, ,D;
[0032] 3. 1. 4)其它进行倒计时的中继节点收到W发送的信令后全部停止倒计时，协作 中继R'准备转发信号。
[0033] 本发明的有益效果在于：
[0034] 1、本发明联合考虑了信道质量、节点能量状态、节点能量收集过程。在中继节点进 行协作传输时，根据每个节点自身的能量状态，每个中继节点可以动态的调节自身的协作 策略和能量收集策略，一方面保证了中继节点在能量较少时能量的回收速度，另一方面保 证了系统有较高的抗中断性能。
[0035] 2、本发明提出的最低能量门限，可使在该门限下的中继节点不需进行不必要的信 息处理过程而仅进行能量的回收，避免了能量的浪费且能延长中继网络的生存时间。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明使用的信能同传中继网络的系统模型图；
[0037] 图2为本发明的总流程图；
[0038] 图3为仿真实验中本发明与基于随机中继选择传输方法、基于最优信道的中继选 择传输方法在系统中断性能方面的对比图。
【具体实施方式】
[0039] 以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方 案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实 施例。
[0040] 如图1所示，本发明使用的信能同传中继网络的系统，由1个源节点S、N个中继节 点、1个目的节点D构成。源节点和中继节点均采用额定的功率进行数据传输，系统的协作 转发模式为解码转发（DF)模式。
[0041] 如图2所示，本发明的实现步骤如下：
[0042] 步骤1 :源节点S对将要发送的数据包进行编码和调制后，将信号以Ps的功率发送 给所有中继节点。
[0043] 步骤2 :各中继节点民根据自身所储存的能量E #lj断是否进行中继协作，判断过 程如下：
[0044] 2. 1)对于所有储存能量不小于每时隙数据传输的能量开销E。的中继节点，将直接 参与协作传输，其中Eei P R · T，T为单个时隙的时间间隔。处在此能量状态下的中继节点 为能量充足节点；
[0045] 2. 2)对于储存能量低于E。但不小于最低能量门限E_的所有中继节点，每个中继 节点均产生一个0到1以内的随机数，并与预定的概率门限值P比较。当中继产生的随机 数小于或等于P时，中继节点将参与协作传输。当中继产生的随机数大于P时，中继节点不 参与协作传输。其中，
[0046] 匕为中继节点的额定发射功率，A为能量约束因子，A e [0，1]，η为能量