全双工中继装置、全双工中继传输控制方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种中继装置、全双工中继传输控制方 法及系统。
【背景技术】
[0002] 在4G网络逐步规模部署的背景下，无线网络节点节能降耗是落实无线通信行业 节能减排指标的关键。随着5G网络的建设和演进，各种新技术、新应用、新服务层出不穷， 为满足流量爆炸式发展的需要，需要部署更多的网络节点，无线通信行业节能减排形式更 加严峻。目前大量无线网络节点布置在诸如环境和安全监测、灾难应急通讯、车载信息采集 和电网负载信息采集等各种场景。由于地理等因素，上述应用环境往往缺乏可靠的电网覆 盖，易于部署和维护的电力供给是避免通信中断、保证信息及时传达的关键。采用能量收集 技术，把环境中的一些能源（如，电磁能、热能、太阳能、风能等）收集起来转化成电能给无 线网络节点供电，是解决上述问题的有效手段。通过在两个远距离通信节点之间部署低功 率中继节点，可以有效提高远距离通信可靠性，扩大节点覆盖面积，同时避免部署额外大功 率基站的开销。因此，在无线网络中部署能量采集系统供能的中继节点，将带来经济和环境 双重福利，即，一方面，保证覆盖范围的同时避免额外基站的部署开销，另一方面，降低市电 电能消耗及相应碳排放。
[0003] 然而，由于全双工中继能够实现同时发送数据和接收数据，能有效提高频谱效率， 近年来，得到越来越多的关注。现有研究表明，能量采集全双工中继能有效提高系统吞吐 量，并已提出了能量采集全双工中继系统中的最优功率分配算法。然而，当中继采用全双工 工作模式，由于发送数据和接收数据同时进行并使用相同的频谱资源，中继传输会受到严 重的自干扰。另外，全双工工作模式下中继单位时间的能量消耗大于半双工工作模式。因 此，对于能量受限的能量采集中继来说，采用全双工工作模式时的系统性能未必优于采用 半双工工作模式。
[0004] 此外，现有文献中多采用采集-使用（Harvest-Use，HU)或者采集-存储-使用 (HarVest-St〇re-Use，HSU)形式的能量采集系统。在HU系统中，能量采集装置直接与负载 连接，而在HSU系统中，能量采集装置通过能量存储装置与负载连接。由于能量存储装置的 存储能力使得能量的调度可以在时间上进行优化，因此，HSU系统比HU系统得到更广泛的 应用。然而，能量存储装置的半双工限制，即充电和放电过程不能同时进行，可能导致传输 中断，甚至导致中继"开"和"关"状态的频繁切换。
[0005] 因此，如何实现全双工能量采集，并使得全双工能量采集系统为全双工中继供电， 以避免中继在"开"和"关"状态的频繁切换是目前急需解决的技术问题之一。
【发明内容】
[0006] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种中继装置、全双工中继传输控制方法及系 统，实现全双工能量采集系统为全双工中继的供电，避免中继在"开"和"关"状态的频繁切 换，进而提升了系统的吞吐量。
[0007] -方面，本发明提供了一种全双工中继传输控制方法，其特征在于，包括以下步 骤：
[0008] 获取不同时刻的能量采集信息和能量存储信息；
[0009] 监测各个信道的信道状态历史信息，根据所述信道状态历史信息估计每一信道的 信道状态预测信息；
[0010] 根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息进行工作模式选择、 发射功率调整和目的节点选择；
[0011] 根据当前的工作模式、发射功率和目的节点计算所述能量存储装置的工作状态决 策信息，并将所述工作状态决策信息发送给控制器，以使控制器根据所述工作状态决策信 息控制所述能量存储装置的工作状态。
[0012] 优选地，所述监测各个信道的信道状态历史信息，根据所述信道状态历史信息估 计每一信道的信道状态预测信息，具体包括以下步骤：
[0013] 根据所述能量采集信息和信道状态可预测周期获取用于确定数据传输时间；
[0014] 根据所述各个信道的信道状态历史信息，通过信道预测得到所述数据传输时间内 每个时隙对应的中继与目的节点之间的信道状态预测信息。
[0015] 优选地，所述根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息进行工 作模式选择、发射功率调整和目的节点选择，具体为：
[0016] 根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息，以系统最大吞吐量 为优化目标，通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值。
[0017] 优选地，所述根据所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息，以系统 最大吞吐量为优化目标，通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值，具体 包括以下步骤：
[0018] 通过信道测量分别获取与源节点、目的节点之间的瑞利衰落信道增益；
[0019] 根据中继与所述源节点之间的距离、中继与所述源节点之间的瑞利衰落信道增益 以及噪声功率计算中继与所述源节点之间的第一信道增益噪声比；
[0020] 根据中继与所述目的节点之间的距离、中继与所述目的节点之间的瑞利衰落信道 增益以及噪声功率计算中继与所述目的节点之间的第二信道增益噪声比；
[0021] 根据当前中继的自干扰值以及所述噪声功率计算干扰噪声比；
[0022] 利用所述第一信道增益噪声比、第二信道增益噪声比、干扰噪声比构造表示该中 继的工作模式-发射功率变量模型以及工作模式-目的节点变量模型；
[0023] 利用所述工作模式-发射功率变量模型以及工作模式-目的节点变量模型构造吞 吐量优化问题模型；
[0024] 以所述吞吐量优化问题模型输出的系统吞吐量最大为优化目标，通过迭代算法确 定工作模式、发射功率和目的节点的最优值。
[0025] 优选地，所述通过迭代算法确定工作模式、发射功率和目的节点的最优值，具体包 括：
[0026] S1 :设定迭代优化初始条件；
[0027] S2 :计算所述中继工作在不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率；
[0028] S3:根据所述不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率计算中继工作模式 与目的节点选择变量和中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率的乘积；
[0029] S4:根据所述中继工作在不同工作模式时所述源节点和所述中继的和功率计算所 述中继工作在不同工作模式时，所述中继与所述目的节点之间的传输速率；
[0030] S5 :根据所述中继与所述目的节点之间的传输速率计算所述中继工作模式与目的 节点选择变量；
[0031] 所述中继工作模式与目的节点选择变量的表达式为：
[0033] 其中，υ表示迭代次数，i表示第i个时隙，Θ表示不同工作模式，当Θ = 〇时表 示中继工作在半双工工作模式，Θ = 1时表示中继工作在全双工工作模式，
(Afwf无具体物理含义，仅表示变量之间的组合关系，为中继r工作在Θ模式时， 中继r与目的节点u之间的传输速率，J为目的节点u与中继r连接时的信噪比；
[0035] S6 :根据所述中继工作模式与目的节点选择变量计算所述中继工作在不同模式时 对不同目的节点的发射功率；
[0036] S7 :根据所述中继工作在不同模式时对不同目的节点的发射功率、所述中继工作 模式与目的节点选择变量计算用于迭代的拉格朗日因子；
[0037] S8:判断相邻两次迭代计算的拉格朗日因子的差值是否小于预设值，若是，则停 止迭代计算，并确定当前中继的发射功率、中继工作模式与目的节点选择变量为最优解；若 否，则重复执行步骤S2进行迭代计算。
[0038] 优选地，所述根据当前的工作模式、发射功率和目的节点计算所述能量存储装置 的工作状态决策信息，具体包括：
[0039] 根据工作模式、发射功率和目的节点的最优值计算出中继每一时隙的能量消耗信 息；
[0040] 根据所述每一时隙的能量消耗信息、能量采集信息以及剩余能量信息得出中继的 能量存储装置在每一时隙的工作状态信息，作为所述将能量存储装置工作状态决策信息。
[0041] 优选地，所述根据所述每一时隙的能量消耗信息、能量采集信息以及剩余能量信 息得出中继的能量存储装置在每一时隙的工作状态信息，作为所述将能量存储装置工作状 态决策信息，具体包括：
[0042] 判断当前时隙采集能量是否大于或等于所述能量消耗；
[0043] 如果是，则所述当前时隙的起始时刻，该中继的能量采集装置所采集的能量在所 述当前时隙直接为该中继供电，剩余能量进入所述能量存储装置进行存储，即能量存储装 置充电；
[0044] 如果否，则继续判断当前时隙所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和是 否大于或等于所述能量消耗；
[0045] 如果所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和大于或等于所述能量消耗， 则所述当前时隙的起始时刻所述中继的能量采集装置所采集的能量和所述能量存储装置 内的剩余能量在当前时隙一起为该中继供电，所述能量存储装置放电；
[0046] 如果所述能量采集装置内的剩余能量与采集能量之和