一种双中继节点交替能量收集和信息中继的协作通信系统及其通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种由双中继节点交替能量收集和信息中继的协作通信系统及其 通信方法，属于无线通信、信号处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 协作通信技术使得无线网络中单天线的分布式节点协同工作并形成虚拟MIMO (Multiple I吨Ut MultipleOu化Ut,多输入多输出）系统，不仅克服了受无线节点体积和成 本等条件限制所造成的不宜安装多根天线的困难，而且能够形成空间分集有效抵抗多径衰 落和提高无线通信系统传输性能。
[0003] 然而，协作通信系统中，节点往往具有能量有限性。移动节点工作通常依赖于电池 供电，一旦电池耗尽，网络拓扑和性能都会受到很大影响。因此，从周围环境中收集能量成 为了延长能量受限无线网络生命周期的有效方法之一。由于RF(radio打equency，射频)信 号可W同时携带能量和信息，WRF信号作为载体在收发两端之间同时进行能量和信息的传 输的无线EH化nergy化rvest，能量收集)技术逐渐在能量受限的无线通信网络中受到重 视。在协作通信网络中，能量受限的中继节点可W通过能量收集技术实现能量的积累，同时 充分利用所收集的能量进行高效可靠通信，具有重要的实际意义和技术挑战性。
[0004] 在W往的模型中，源节点和目的节点之间大多仅设置单个无线能量收集中继节 点，该节点通过时间切换或功率分割的方式从接收信号中获取能量并利用所获取的能量进 行数据转发。由于数据转发前必须先积累足够多的用W将所接收到的数据发送出去的能 量，信息传输的过程必然出现中断，从而导致系统的通信效率降低。为了提高无线中继系统 的吞吐量，有研究人员提出了基于时间切换的全双工无线EH和中继系统。但是，全双工的工 作模式易在中继节点上产生自干扰，而且同时发送和接收的系统并不容易实现。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种全新的双中继节点交替能量收集和信息中继的协作通信系统。 相对于已有的单中继节点进行能量收集和信息中继的方法，该方法不需要为了收集能量而 中断信息传输过程，从而提高系统的吞吐量;并且不同于全双工无线充电的中继系统，系统 克服了全双工操作方式在中继节点上容易导致自干扰，W及同时发送和接收的实施困难， 节点仅在半双工模式下，可W维持系统较高的通信效率。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] -种采用两个中继节点交替进行无线能量收集和数据转发的协作通信系统，该系 统由一个源节点-目的节点对和两个中继节点组成，其中，源节点和目的节点具有稳定的能 量源，中继节点能量受限，需要从周围环境所采集的射频信号中获取能量，W将从源节点接 收到的信息转发给目的节点，源节点与目的节点之间不存在直达链路，两者之间的通信必 须通过中继节点的转接，每个节点安装一个全向天线并且采用半双工方式工作;源节点W 数据包为单位进行数据的发送，每个数据包的转发对应两跳，即：源节点至中继节点的第一 跳和中继节点至目的节点的第二跳，相应的，每一跳对应一个固定长度的时间块;两个中继 节点具备能量收集EH和信息传输IT的功能，并周期性的互相切换IT和EH的角色，当信息从 源节点到目的节点通过充当数据传输角色的IT中继转发的时候，另外一个中继节点充当能 量收集角色的EH中继，从所接收的无线信号中收集能量并存储在电池中备用，对应于每个 数据包转发的两跳过程，EH中继节点收集第一跳中由源节点广播的信号中的能量W及第二 跳中由正在转发数据的IT中继所广播的信号的能量，保证了两跳无线信号能量的有效充分 采集和利用，当固定数量的数据包传输完毕并且IT中继节点中之前所收集的能量被用完的 时候，两个中继节点互相交换角色，分别在下一轮周期中进行能量收集和数据传输;虽然两 个中继节点都工作在半双工模式，所有由源发往目的节点的数据包传输过程并没有被打 断，两个中继节点的交替进一步保证了系统的通信效率和吞吐量。
[0008] 本发明还提出了一种基于上述协作通信系统的通信方法，该方法的具体步骤如 下：
[0009] 源节点W恒定数据速率连续发送数据包，每个数据包对应一个时间块且长度固 定，两个中继节点W固定周期为单位进行角色切换，W两个节点角色的不同，通信过程分为 两种情况:情况1和情况2依次按照固定周期交替发生；
[0010] 情况1:中继节点Ri负责接收并转发源节点向目的节点发送的数据，充当IT中继节 点的角色；中继节点R2负责从接收到的信号中收集能量，充当中继节点的角色；
[0011] 源节点W数据包为单位向目的节点连续发送固定数量的数据包，每个数据包的发 送过程包含两跳阶段，第一跳阶段中，源节点广播信号，Ri接收到广播信号，按照放大转发 AF策略放大所接收信号并使用电池中所存储的能量W功率巧，转发给目的节点;R2接收到广 播信号，并根据能量收集接收器机制收集能量并存储在电池中；第二跳阶段中，Ri广播信 号，目的节点接收到广播信号，译码完成源到目的节点的数据传输，R泌收到化的广播信号， 继续收集能量并存储在电池中，固定数量的数据包发送完毕并且Ri中的能量全部用尽，两 个中继节点切换角色；
[0012] 情况2:中继节点R2负责接收并转发源节点向目的节点发送的数据，充当IT中继节 点的角色；中继节点Ri负责从接收到的信号中收集能量，充当中继节点的角色；
[0013] 源节点W数据包为单位向目的节点连续发送固定数量的数据包，每个数据包的发 送过程包含两跳阶段，第一跳阶段中，源节点广播信号，R2接收到广播信号，按照AF策略放 大所接收信号并使用电池中所存储的能量W功率巧。转发给目的节点;町接收到广播信号， 并根据能量收集接收器机制收集能量并存储在电池中；第二跳阶段中，R2广播信号，目的节 点接收到广播信号，译码完成源到目的节点的数据传输;Ri接收到R2的广播信号，继续收集 能量并存储在电池中，固定数量的数据包发送完毕并且R2中的能量全部用尽，两个中继节 点切换角色。
[0014] 由于两个中继节点交替进行能量收集和信息转发，因此，节点无需全双工的工作 模式，对于固定源和目的节点对之间的能量收集和信息转发过程均未间断，从而大大提高 了能量收集的效率和系统的通信效率。另外，EH中继节点持续收集第一跳及第二跳中的无 线信号，进一步提高了能量收集的效率。
【附图说明】
[001引图1:本发明的系统模型图，其中，（a)图对应于Ri作为IT中继节点R2作为邸中继节 点的情况，（b)图对应于R2作为EH中继节点Ri作为EH中继节点的情况;实线表示第一跳的传 输，虚线表示第二跳的传输，粗线表示用于口的链路，而细线表示用于EH的接收信号的传输 链路；
[0016] 图2:本发明的双中继节点交替能量收集和信息传输的通信过程示意图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合具体的实施方式，对本发明进行进一步的说明，但不限于此例。
[0018] 本发明的实施方式设及一种采用两个中继节点交替进行无线能量收集和数据转 发的协作系统，该系统由一个源节点-目的节点对和两个中继节点组成，如图1所示。系统 中，源节点S和目的节点D具有固定的能量提供源并且能量不受限，两个中继节点Ri和R2能量 受限并且采用AF中继协议进行数据转发。由于S和D之间存在严重的衰落和路径损耗，所W 两者之间没有直达链路。每个节点均安装一个全向天线并且W半双工模式工作。如图1中链 路上所标示，S与Ri、Ri与D及Ri与R2(i = l，2)之间的链路之间的信道系数分别记作 和/的W并且假设其为均值分别为0,方差分别为f读>、和域的高斯随机变量，并假设各 信道均经历频率非选择性瑞利块衰落。同时，两个中继节点之间的信道是互易的，即扣至尺2 与R2至化的信道增益相同。
[0019] 源节点W恒定数据速率R连续发送数据包，每个数据包的传输对应两跳，即：源节 点至中继节点的第一跳和中继节点至目的节点的第二跳，相应的，每一跳对应一个固定长 度的时间块，每个时间块的长度记作T。在任意一个时间块内，信道系数保持不变，并且不同 链路不同块之间信道状态独立同分布。另外，两个中继节点具备能量收集和数据传输的功 能，两个中继节点按照固定周期(每个固定周期为L个数据包发送的时间，即化时间块)交替 切换数据传输和能量收集的角色。当信息从源节点到目的节点通过充当数据传输角色的IT 中继转发的时候，另外一个中继节点充当能量收集角色的EH中继，从所收到的无线信号中 收集能量并存储在电池中备用。对应于每个数据包转发的两跳过程，EH中继节点收集第一 跳中由源节点广播的信号中的能量W及第二跳中由正在转发数据的IT中继所广播的信号 的能量，保证了两跳无线信号能量的有效采集和利用。当L个数据包传输完毕并且IT中继节 点中之前所收集的能量被用完的时候，一个周期即为结束，两个中继节点互相交换角色，进 入下一轮的周期，分别进行能量收集和数据传输。
[0020] 本发明的实施方式还设及一种双节点交替能量收集和信息中继的通信方式，如图 2,源节点W恒定数据速率R连续发送数据包，两个中继节点W固定周期(每个固定周期为L 个数据包发送的时间，即化时间块)为单位进行角色切换。W两个节点角色的不同，通信过 程分为两种情况，并依次按照固定周期交替发生。所包括两种情况如下：
[0021] 情况l:Ri作为IT中继节点，负责接收数据并转发源节点向目的节点发送的数据， 充当IT中继节点的角色;R2作为EH中继节点，负责从接收到的信号中收集能量。
[0022] 第一跳阶段中，S广播信号，记作S，假定为归一化的信号，其中，E{|s|2} = 1;Ri接收 到的信号，记作&V可表示为：
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