基于喷泉码数据包分割的协作中继网络无线信能同传方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体地涉及一种基于喷泉码数据包分割的协作中继网络无线信能同传方法。

背景技术：

协作中继技术利用节点之间的相互协作，形成虚拟多输入多输出系统，可增加系统分集增益、有效抵抗多径衰落并提高信息传输的可靠性。

在协作中继网络中，中继节点往往没有固定的能量供给，使得网络性能受限于中继节点有限的能量。能量收集技术(energyharvesting，eh)为能量受限的协作中继网络提供了一种新的有效能源供应方式，其主要以太阳能、风能、热电效应和无线射频能量等作为供能来源。其中无线信息和能量同传技术(simultaneouswirelessinformationandpowertransfer,swipt)充分利用无线电信号既是能量载体也是信息载体这一特性，实现信息与能量的同时传输，在无线通信网络中无疑成为备受关注且发展潜力巨大的一种能量补充方法。

信息与能量同时传输时，目前的硬件电路无法在解调信息的同时，收集无线电信号所携带的能量，信号只能择一地被用来进行能量收集或者信息解码。因此，为了实现swipt，接收端信号需要在两者之间进行动态切换。常用的切换机制有：时隙切换(timeswitch,ts)和功率分割(powersplitting,ps)。

ts与ps都是基于硬件实现的分割方法，复杂度高、控制不灵活且要消耗额外能量。ts机制在时间上要求同步，实现难度大；ps机制的硬件电路实现复杂，能量消耗大。因此，需要一种无需硬件、控制灵活的swipt信息能量分配机制。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于喷泉码数据包分割的协作中继网络信息能量同传方法。该方法利用喷泉码特性对接收到的数据包数量进行信息能量比例分割，不需要任何硬件电路，节省能耗，保证了能量有效的高效数据可靠传输。

本发明所采用的技术方案是：一种基于喷泉码数据包分割的协作中继网络无线信能同传方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：源节点对信息进行喷泉编码并向中继节点、目的节点广播喷泉编码数据包；

步骤2：中继节点对其本身的能量状态或信息译码状态进行监测；

步骤3：中继节点根据监测到的自身能量状态值或信息译码状态值，自适应调整用于能量收集和数据传输的数据包数量分割参数ρ与1-ρ，ρ∈(0,1)；

步骤4：中继节点根据能量收集的数据包分割参数ρ进行能量收集，中继节点根据数据传输的数据包分割参数1-ρ进行协作数据传输或信息译码后协作数据传输，并利用中继节点收集到的能量转发需要传输的数据至目的节点；

步骤5：目的节点解码分别来自源节点和中继节点喷泉编码数据包，恢复信号。

本发明的有益效果是：

本发明所述的一种基于喷泉码数据包分割的协作中继网络信息能量同传机制根据中继节点的实时能量状态或信息译码状态自适应调整用于信息传输和能量获取的数据包比例，实现信息速率与收集能量之间平衡。不同于传统swipt能量信息切换机制，本发明所述swipt分割机制不需要硬件电路，节省能耗，操作方便简单，保证信息可靠传输的同时最大化传输速率。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

图2是本发明实施例的无线信息和能量同传网络模型图。

图3是本发明实施例的信息能量同传数据包分割机制示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1、图2和图3，本发明提供的一种基于喷泉码数据包分割的协作中继网络无线信能同传方法，包括以下步骤：

1)源节点对信息进行喷泉编码并向中继节点、目的节点广播喷泉编码数据包；

其中喷泉编码算法采用lt码，具体实现过程是：喷泉码编码器对接收到的k个信源数据包进行异或运算，源源不断产生n个喷泉编码数据包，其中，n>k。

源节点向中继节点广播喷泉编码数据包过程如图2所示，源节点s以已知的功率ps向目的节点d与中继节点r发送信号xs，目的节点d接收到的信号可表示为hsd为源节点s到目的节点d的信道衰落系数，nd为目的节点接收天线的高斯白噪声，其均值为0，方差为令w1代表传输带宽，目的节点d获得的最大传输速率为中继节点r接收到的信号可表示为hsr为源节点s到中继节点r的信道衰落系数，nr为中继节点接收天线的高斯白噪声，其均值为0，方差为从源节点s收集到的能量功率为η为能量转换效率。从源节点s获得的最大传输速率为

2)中继节点对其本身的能量状态或信息译码状态进行监测；

3)中继节点根据监测到的自身能量状态值或信息译码状态值，自适应调整用于能量收集和数据传输的数据包数量分割参数ρ与1-ρ，ρ∈(0,1)；

中继节点采用放大转发(amplify-and-forward，af)和译码转发(decode-and-forward，df)两种工作模式进行数据协作传输。

当中继节点工作在放大转发模式下时，以启动中继节点所需最小能量为阈值，当能量收集模块的储能量接近该阈值时，设置分割参数为1，即将接收到的信息全部用于取能；当储能量为电池最大容量时，设置分割参数为0，即将接收到的信息全部用于信息译码；当储能量介于最小阈值与电池最大容量之间时，将电池最大容量和实时容量差与电池最大容量和最小能量差的比值作为反馈值。能量收集的数据包分割参数ρ可表示为：

其中，estate表示中继节点能量状态，etotal为额定的能量收集模块能够存储的能量总量，emin为启动中继节点所需最小能量。emin可表示为：

emin＝prmt；

其中prm为中继节点固定消耗功率，t为工作时间。

当中继节点工作在译码转发模式下时，根据中继节点数据包译码状态信息自适应调整分割参数值1-ρ，而该工作方式的前提是要求中继节点能量始终大于启动中继节点所需最小能量。将喷泉码特有的可译集概念作为自适应调整依据，将期望的可译集数量和当前实际可译集数量差与期望的可译集数量的比值作为反馈值。数据传输的数据包分割参数1-ρ可表示为：

其中，r为每次译码迭代所期望的可译集的数量，r为实际可译集数量。

4)中继节点的能量收集模块根据能量收集的数据包分割参数ρ进行能量收集，中继节点的信息收集模块根据数据传输的数据包分割参数1-ρ进行协作数据传输或信息译码后协作数据传输，并利用中继节点收集到的能量转发需要传输的数据至目的节点。每次接收n个喷泉编码数据包中，只计数量不管顺序的选择[ρn]个数据包送入能量获取模块进行能量收集，选择[(1-ρ)n]个数据包送入信息收发模块进行数据传输；

中继节点r利用能量收集的数据包分割参数ρ进行能量收集，能量收集功率可表示为利用数据传输分割参数1-ρ进行数据传输，接收到的信号可表示为nsr为中继节点r进行数据处理产生的噪声，其均值为0，方差为中继节点r获得的最大传输速率为

中继节点采用放大转发和译码转发两种工作模式进行数据协作传输；

当中继节点工作在放大转发模式下时，目的节点d接收的信号可表示为yrd＝φyrhrd+nd，hrd为中继节点r到目的节点d的信道衰落系数，nd为目的节点接收天线的高斯白噪声，其均值为0，方差为φ为中继节点功率转发放大系数，可表示为其中prd为中继节点r向目的节点d进行信号传输的功率。因此，目的节点d从中继节点r接收的信号可表示为:

信噪比为：

代入φ的值，信噪比为：

令w2代表传输带宽，此时，传输速率为：

当中继节点工作在译码转发模式下时，中继节点将接收到的信息解码并重新编码后发送至目的节点d，可达传输速率表示为：

此时，在整个信息协作传输中，系统可达的最大速率为：

ratedf＝min[rater,ratesd+raterd]；

5)目的节点解码分别来自源节点和中继节点的喷泉编码数据包，恢复信号；

喷泉码译码算法采用置信度传递算法，目的节点接收到的喷泉编码数据包数量大于或等于信源数据包数量并且存在编码度数为1的喷泉编码数据包时，开始译码恢复信源数据包。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，本发明的应用范围适用但不限于无线传感网、认知无线网络、物联网、移动通信网、水声通信网、自由空间激光通信等无线通信领域。上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。