一种基于空域调制的无线携能中继传输方法与流程

本发明属于无线通信领域，涉及无线携能中继传输技术，具体涉及在时间切换机制下的无线携能中继系统中，利用编码放大的方式将空域调制技术(spatialmodulation,sm)应用在中继节点，从而提升系统容量。

背景技术：

目前，能量受限的通信系统运行期限是有限的。为了保证通信网络的正常连接，定期对供电电池的替换和充电是必要的，但是这样却会大大提高系统的花销。为了解决这个问题，人们开始尝试从自然资源中收集能量譬如风能、太阳能来供应系统。但是这类方案很大程度上受制于不可控的自然因素。而由于无线信号即可以承载信息又可以承载能量，于是无线携能通信方案被提出。无线携能通信方案使得无线通信系统可以得到持续不断的能量供应同时系统却不会有花销的增加，因此具有很大的优势。

另一方面，近年来利用中继来提高能量的收集和信息的传输效率引起了广泛的关注。中继网络可以同时提高通信的频谱效率并且提高通信连接可靠性。将无线携能通信应用到中继可以很好解决中继因为能源供应位置不够灵活的问题。现有文献记载了无线携能通信中半双工(halfduplexing，hd)中继方案，包括放大转发和编码转发的两种中继方案。然而，在半双工的方案中，信息传输的源节点或者中继节点在信息传输过程中总有一个不工作，从而导致时间资源不能完全利用，进而造成频谱效率的下降。另有文献记载在时间切换机制下的采用编码转发的全双工(fullduplexing，fd)无线携能中继方案，需要采用有效方法提升整个系统容量。

技术实现要素：

本发明提供一种基于空域调制的无线携能中继传输方法，在时间切换机制下的无线携能中继系统中，通过编码放大的方式将空域调制技术(spatialmodulation,sm)应用在中继节点，从而提升系统容量。

本发明的原理是：空域调制sm技术是一种不仅将信息比特映射在星座点上，还将额外的信息比特映射在天线序号的新型多天线技术。sm技术具有只激活部分天线发射信息的特质，因此，sm非常适合于应用在无线携能通信，此时天线不止局限于单一的发射信息或者接收信息的固定安排，而可以灵活随机选择天线，从而提高信息容量。为此，本发明提出一种将sm通过编码转发的方式应用在中继端的技术方案，充分利用空域调制以单射频链路可以获得空分复用增益的优势，提升在时间切换机制下全双工无线携能中继系统的整个系统容量。

本发明提供的技术方案是：

一种基于空域调制的无线携能中继传输方法，针对全双工无线携能中继系统进行信息传输的整个过程，将空域调制sm通过编码转发的方式引入全双工无线携能中继系统的中继端中，所述全双工无线携能中继系统包括源节点、中继节点、空域调制天线选择器和目的节点；所述传输方法利用空域调制，以单射频链路获得空分复用增益，提高全双工无线携能中继系统的系统容量；包括以下步骤：

1)空域调制天线选择器激活部分天线发射信息，包括：

11)在中继节点，一部分天线被空域调制天线选择器激活，用来接收来自源节点发送的信号；

12)在中继节点，另一部分未被激活的天线用来转发来自源节点的信号至目的节点；

2)设置时间切换机制，分为时间切换机制1和时间切换机制2；

21)将整个信息传输过程利用时间段进行分配为第一阶段和第二阶段；在一个时间段进行中继收集能量过程，在另一时间段进行信息传输过程；

22)时间切换机制1是第一阶段中继节点收到源节点信号作为能量收集，第二阶段中继节点收到源节点信号作为有效信息同时中继节点将信号进行编码转发至目的节点；而时间切换机制2是第一阶段中继节点收到源节点信号作为有效信息，第二阶段中继节点收到源节点信号作为能量收集同时中继节点将信号进行编码转发至目的节点；

3)采用空域调制编码转发的方式，使用时间切换机制实现基于sm的无线携能中继传输，具体包含以下步骤：

31)在中继收集能量过程中，中继天线收集来自源节点发送信号的能量；则使用时间切换机制1；即中继节点利用中继天线收集自源节点向中继节点发送的信号，并将信号作为能量进行收集；

32)在信息传输过程中，首先利用空域调制天线选择器激活多根中继天线中的一部分，源节点向此激活的部分天线发送信号，同时中继节点对收到的信息进行放大或进行编码，并由未激活的另一部分天线将编码后的信号转发至目的节点；

33)所述全双工无线携能中继系统的系统最优化容量由两段信息传输过程(第一段为源节点至中继节点、第二段为中继节点至目的节点)中的容量较小值得到。

针对上述基于空域调制的无线携能中继传输方法，进一步地，步骤33)采用编码转发的方式；具体执行以下步骤得到系统最优化容量：

331)根据中继节点信号噪声干扰比，通过式7计算得到第一段源节点至中继节点这段过程的信息容量；

r1＝(1-α)×log2(1+γ1)(式7)

332)根据sm的性质，计算得到第二段中继节点至目的节点信息容量这段过程的信息容量；

r2＝(1-α)cupper(式14)

333)取步骤331)所得信息容量与步骤332)所得信息容量的最小值，作为所述全双工无线携能中继系统的系统容量。

针对上述基于空域调制的无线携能中继传输方法，进一步地，步骤332)中，第二段利用空域调制容量的上界近似解得到系统最优化容量；由于空域调制容量计算没有闭合解，所以考虑将空域调制容量的上界边界解作为第二段信息容量的近似解；空域调制上界边界解的近似解包括上界近似解1和上界近似解2；空域调制容量的上界边界解的求解包含以下步骤：

334)在中继信噪比pr/n0小于设定值(如7.5db)时，sm两部分互信息均在增长，采用上界近似解1来替代这一段(第二段)的信息容量

335)在中继信噪比pr/n0高于设定值(如7.5db)时，sm第二部分互信息趋近于天线序号包含的信息量，采用上界近似解2来替代这一段(第二段)的信息容量。

其中，上界近似解1cupper1表示为式12：

上界近似解2cupper2表示为式13：

其中，pr为中继信号功率；n0为噪声功率；gi为中继处第i根天线与目的节点间的信道系数向量；

步骤33)中利用空域调制上界近似解得到系统最优化容量，具体是，将空域调制容量上界近似解代入两段容量比较式子(式15)中，得到接近于最优的系统容量；包含以下步骤：

336)代入sm容量近似解，比较两段信息容量(第一段的准确值和第二段的近似值)，较小值作为近似的系统容量；

337)遍历时间分配系数α的所有取值，得到近似最优的时间分配系数α^*；

338)代入近似最优的时间分配系数α^*到sm的容量理论解中，获得最终的接近于最优的系统容量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出一种基于空域调制sm的无线携能中继传输方法，将sm通过编码转发的方式应用在中继端，充分利用空域调制以单射频链路可以获得空分复用增益的优势，提升在时间切换机制下全双工无线携能中继系统的整个系统容量。本发明具有以下优点：

(一)在时间切换机制下全双工无线携能中继系统中，创新性地利用空域调制sm技术结合时间切换机制进行信息传输，提升了传统全双工无线携能中继方案的系统容量；

(二)本发明利用sm容量计算的上界近似解得到最优的时间分配系数，进而得到系统的近似最优容量。

附图说明

图1是本发明实施例中基于sm的无线携能中继系统模型；

其中，f为天线自干扰信道系数；h1为源节点与中继天线1间的信道系数；h2为源节点与中继天线2间的信道系数；g1为中继天线1与目的节点间的信道矩阵；g2为中继天线2与目的节点间的信道矩阵。

图2是采用本发明方法时中继节点和目的节点信息容量与其上界近似解的比较曲线。

图3是采用本发明方法代入sm容量上界近似解后获得最优系统容量的计算过程流程框图。

图4是采用本发明方法使用sm与没有使用sm时全双工无线携能中继最优系统容量的比较曲线。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种基于空域调制sm的无线携能中继传输方法，将sm通过编码转发的方式应用在中继端，充分利用空域调制以单射频链路可获得空分复用增益的优势，提升在时间切换机制下全双工无线携能中继系统整个的系统容量。

图1是本发明基于sm的无线携能中继系统的系统模型图，源节点配置一根天线，中继节点配置两根天线，目的节点配置一根天线。

表1是无线携能中继系统全双工时间切换机制下的整个系统信号传输流程，包括能量收集阶段和信息传输阶段。

表1全双工时间切换机制下的无线携能中继系统信号传输流程

如表1所示，在能量收集阶段αt时间内，源节点向中继节点发送信号，此信号作为能量信号被中继节点收集起来，因为中继节点有两根天线，可以只使用一根天线收集能量，或者两根都用来收集能量。当使用一根天线(指定为第一根天线)收集能量时，中继处收集的信号功率表示为式1：

其中，pr为中继信号功率；η为中继能量转换效率，取值范围为0-1，根据实际系统设定；ps为源节点发射功率；h1为源节点与中继天线1间的信道系数；α为时间分配系数，取值范围为0-1，是得到最优系统容量改变的参数；t为整个传输过程总时间。

当两根天线都用来收集能量，中继处收集的信号功率为式2：

在信息传输阶段(1-α)t时间内，此时源节点向中继节点发送信号同时中继节点将源节点向中继节点发送的信号编码并转发至目的节点。由于中继应用了sm技术，所以2根天线中被选择作为信息接收的天线或者信息发射的天线是等概的。

因此，对于中继节点到目的节点信息传输这一段信息传输过程，由于中继采用了sm技术，目的节点接收信息可以表示为式3:

yd＝vxr+nd(式3)

其中，yd是目的节点接收信息；nd是2×1均值为0，方差为n0的噪声向量；xr是中继编码后的信号；v∈{g1,g2}是2×2信道矩阵g的列向量，取值由激活的天线决定。

而中继节点接收来自源节点的信号可以表示为式4：

yr＝hxxs+fxr+nr(式4)

其中，y由空域调制没有激活的天线决定，hx表示源节点到中继节点第x根天线之间的信道增益系数，xs表示源节点发送的信号，xr为中继节点编码后发送的信号，f为天线之间自干扰的系数。

根据中继节点的接收信号，如果在能量收集阶段使用一根天线收集能量时，源节点向中继节点发射信息的信号噪声干扰比可以表示为式5：

其中，γ1表示中继节点处的信号噪声干扰比，h1为目的节点到中继天线1间的信道系数，h2为目的节点到中继天线2间的信道系数，f为天线之间自干扰的系数，

而如果在第一阶段(能量收集阶段)使用两根天线收集能量时，源节点向中继节点发射信息的信号噪声干扰比可以表示为式6：

此时第一段信道容量可以表示为式7：

r1＝(1-α)×log2(1+γ1)(式7)

对于中继节点至目的节点容量的计算，sm容量的计算要分为两部分，一部分来自xr和接收信号y的互信息，另一部分来自子信道系数v提供的信息量，即式8：

c＝c1+c2(式8)

第一部分可以表示为式9：

其中，pr为中继信号功率，n0为噪声功率，gi为中继处第i根天线与目的节点间的信道系数向量；(·)^h表示矩阵的共轭转置运算。

对于第二部分，我们假定输入信号xr满足高斯分布，则表示为式10：

其中v∈{g1,g2}是2×2信道矩阵g的列向量，取值由激活的天线决定，gi为中继处第i根天线与目的节点间的信道系数向量，p(y|v＝gi)表示信道转移概率。

很明显这一部分非闭合解，如果采用蒙特卡洛仿真的方法获得近似闭合解，则为式11：

其中，l表示蒙特卡洛仿真噪声取的第l个样本，共有n个样本。

由于第二部分并没有真正完整的闭合解，因此我们试图寻找合理的上界近似解来进行之后的时间分配系数的优化问题。图2示出了sm容量的理论解和其上界近似解的比较曲线。参照图3，在中继处于低信噪比(pr/n0低于7.5db)时，使用cupper1作为容量的近似解，表示为式12：

其中，pr为中继信号功率，n0为噪声功率，g为中继天线与目的节点间的信道系数向量；i为单位矩阵。

但在中继处于高信噪比(pr/n0高于7.5db)时，使用cupper2作为容量的近似解，表示为式13：

其中，pr为中继信号功率，n0为噪声功率，gi为中继处第i根天线与目的节点间的信道系数向量。

考虑时间分配，这一段信息容量的近似解可以表示为式14：

r2＝(1-α)cupper(式14)

其中，当cupper1≤cupper2，cupper取cupper1；当cupper1＞cupper2，cupper取cupper2。

参考图3的整个过程，代入sm容量的上界近似解，因为本系统是编码放大中继系统，系统容量取两段信息传输过程的较小值，因此，可以通过式15获得近似的系统容量r：

r＝min{r1,r2}(式15)

其中，r1为源节点与中继节点间的信息容量，r2为中继节点与目的节点间信息容量的近似解。

遍历时间分配系数α，将α带入上述的近似系统容量(式15)，可以获得近似最优系统容量对应的时间分配系数α^*，将α^*代入sm容量的理论解中，可以得到接近于最优的系统容量值。

图4示出了在不同的发射信噪比ps/n0情况下，基于sm的无线携能中继系统最优系统容量和没有使用sm的无线携能中继系统最优系统容量，分别探讨了在能量收集阶段1根天线/2根天线收集能量的两种情况，图4表明，在所有信噪比的范围下，基于sm的系统容量均优于没有使用sm的系统容量。

以上应用具体实施例对本发明所提供的一种基于空域调制技术的无线携能中继系统方案的原理及实施方式进行了具体阐述，从而使得本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。