一种基于能量状态的全双工中继传输方法与流程

本发明涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种基于能量状态的全双工中继传输方法。

背景技术：

近年来，无线网络中能量采集技术的研究受到了广泛关注，对于不便于大规模采用有线供能的中继网络，比如传感器网络，传统的方法是采用电池供电，但是这种方法导致后期的网络维护成本较高，需要定期更换电池或者给电池充电。针对传统中继的缺点，有学者将基于时间分配(tsr)和功率分配(psr)的能量采集协议引入中继，使得中继可以采集无线射频信号的能量，无需电池供电。但是该协议也存在如下不足：

1、由于在传统能量采集中继协议中，中继的发送功率跟信源到中继节点的信道增益密切相关，当信源到中继的信道状态较差时，中继采集的能量较少，因此发送功率也相对较小，影响了系统性能的提升；

2、传统的能量采集中继协议要求中继在任何时刻都参与转发信息，即使在信宿能够正确解码的情况下，中继仍然参与转发，因此造成了能源的浪费。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于能量状态的全双工中继传输方法，具体为一种恒定功率转发信息的无源中继，即中继能够采集能量并且存放在电池中，当能量大于预设阈值时，中继才开始转发信息；此外，当信宿能够正确解码信息时，中继不再转发信息，而是只进行能量采集；当信宿不能正确解码信息时，全双工中继才采用psr能量采集协议转发信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于能量状态的全双工中继传输方法，应用在包括信源s、中继r和目的端d三个节点的通信系统中，所述中继为无源节点，所述方法包括：

步骤1，信源s给信宿d发送测试导频信号，信宿d接收测试导频信号并计算出其信噪比；

步骤2，信宿d将其接收信噪比与其解码所需最小信噪比进行比较；如果其接收信噪比大于最小解码所需信噪比t，则执行步骤3，否则执行步骤4；

步骤3，信宿d给信源s反馈信号“1”，信源s与中继r接收到信宿d发送的信号“1”后，信源s与信宿d开始通信，中继r采集能量；

步骤4，信宿d给信源s反馈信号“0”，信源s与中继r接收到反馈的信号“0”后，中继r开始对自身能量进行估计，如果中继r自身能量大于预设阈值，则执行步骤5，否则执行步骤6；

步骤5，中继r给信源s和信宿d发送信号“10”，信源s与信宿d接收到来自中继r的“10”信号后，信源s与信宿d开始通信，中继r转发信息；

步骤6，中继r给信源s和信宿d发送信号“01”，信源s与信宿d接收到来自中继r的“01”信号后，系统中断通信，信源s给中继r发送能量信号。

所述信源和信宿节点均配置单根天线，中继节点配置两根天线。

中继r的工作状态包括工作在充电状态和工作在信息转发状态。

当中继r工作在充电状态时，中继将接收到的信息全部用于采集能量；

由于噪声功率相对信号功率比较小，所以在进行能量采集时忽略中继接收到的噪声功率；中继在单个时隙内采集到的能量表示为：

eh＝ηps|h2|²,

其中，η表示能量采集效率，0<η<1，ps表示信源s的发送功率，h2表示信源s与中继r之间的信道参数。

当中继r工作在信息转发状态时，在相同的功率下，信源s给信宿d发送信号xs，满足中继r接收到信源s发送的信号时，中继r将接收到的信号功率分配ρp用于采集能量，剩余(1-ρ)p用于有用信息解码转发，因此r和d接收到的信号可以表示为：

其中，ρ表示功率能量采集中的功率分配因子，p表示中继r接收到的信号功率，xr表示中继r解码转发的信息，pr表示中继r的发送功率，h1表示信源s与信宿d之间的信道参数，h3表示中继r与信宿d之间的信道参数，h4表示自干扰信道参数，nd表示信宿d接收到的均值为0方差为1的加性高斯白噪声，nr表示中继r接收到的均值为0方差为1的加性高斯白噪声；

此时，中继在单个时隙内采集到的能量可以表示为：

eh＝ηρ(ps|h2|²+pr|h4|²)。

通信系统的工作状态包括如下三个：

a，信源s与信宿d进行通信，中继采集能量；

此时信宿d接收到的信号表示为：

信宿d的接收信噪比表示为：

γd＝ps|h1|²

其中，ps表示信源s的发送功率，h1表示信源s与信宿d之间的信道参数，xs表示信源s给信宿d的发送信号；

b，信源s到信宿d信道比较差时，信源s与信宿d仍然进行通信，中继进行解码转发；

此时信宿d接收到的信号表示为：

信宿d的接收信噪比表示为：

其中，pr表示中继r的发送功率，h2表示信源s与中继r之间的信道参数，h3表示的是中继r与信宿d之间的信道参数，h4表示的是自干扰信道参数，nd表示信宿d接收到的均值为0方差为1的加性高斯白噪声；ρ表示功率能量采集中的功率分配因子，xr表示中继r解码转发的信息；

c，整个系统停止通信，信源s给中继r发送能量信号；

此时信宿d的接收信噪比可以表示为：

γd＝0。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明相对于传统的能量采集中继协议克服了中继转发功率不稳定的缺点，使得信宿接收中继的信息功率更加稳定；

(2)传统的能量采集中继协议要求中继在任何时刻都参与转发信息，即使在信宿能够正确解码的情况下，中继仍然参与转发；而本发明中的中继在信宿能够正确解码信息时，只采集能量不转发信息，因此能够更好的节约能源；

(3)本发明相对于传统的能量采集中继协议，在信源中等发射功率时，系统的性能更好。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于能量状态的全双工中继传输方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明的通信系统模型图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为本发明的中断概率随着信源s发送功率ps的变化趋势图。

具体实施方式

参见图1所示，一种基于能量状态的全双工中继传输方法，应用在包括信源s、中继r和目的端d三个节点的通信系统中。本发明适用于一些不便于有线供能的中继网络，如无线传感器网络等。在本网络中，信源s、信宿d配置单天线，中继r配置两根天线。本网络中的中继r为一个能量受限的节点，即没有电源进行供电。因此，中继r需要从环境中的无线射频信号中获取能量。图1中，s→d、s→r和r→d的衰落信道系数表示为h1、h2和h3。h4表示的是自干扰衰落信道系数。

参见图2所示，一种基于能量状态的全双工中继传输方法，包括如下步骤：

步骤1，信源s给信宿d发送测试导频信号，信宿d接收测试导频信号并计算出其信噪比；

步骤2，信宿d将其接收信噪比与其解码所需最小信噪比进行比较；如果其接收信噪比大于最小解码所需信噪比t，则执行步骤3，否则执行步骤4；

步骤3，信宿d给信源s反馈信号“1”，信源s与中继r接收到信宿d发送的信号“1”后，信源s与信宿d开始通信，中继r采集能量；

步骤4，信宿d给信源s反馈信号“0”，信源s与中继r接收到反馈的信号“0”后，中继r开始对自身能量进行估计，如果中继r自身能量大于预设阈值，则执行步骤5，否则执行步骤6；

步骤5，中继r给信源s和信宿d发送信号“10”，信源s与信宿d接收到来自中继r的“10”信号后，信源s与信宿d开始通信，中继r转发信息；

步骤6，中继r给信源s和信宿d发送信号“01”，信源s与信宿d接收到来自中继r的“01”信号后，系统中断通信，信源s给中继r发送能量信号。

由上述步骤我们可以知道中继可能工作在以下两个状态：

(1)工作在充电状态

当中继r工作在充电状态时，中继将接收到的信息全部用于采集能量。由于噪声功率相对信号功率比较小，所以在进行能量采集时忽略中继接收到的噪声功率。因此，中继在单个时隙内采集到的能量可以表示为:

eh＝ηps|h2|²,

其中η(0<η<1)表示能量采集效率，ps表示的是信源s的发送功率，h2表示的是信源s与中继r之间的信道参数。

(2)工作在信息转发状态

在相同的功率下，信源s给信宿d发送信号xs，满足中继r接收到信源s发送的信号时，中继r将接收到的信号功率分配ρp用于采集能量，剩余(1-ρ)p用于有用信息解码转发。因此中继r和信宿d接收到的信号可以表示为：

其中，ρ表示功率能量采集中的功率分配因子，p表示中继r接收到的信号功率，xr表示中继r解码转发的信息，pr表示中继r的发送功率，h1表示信源s与信宿d之间的信道参数，h3表示中继r与信宿d之间的信道参数，h4表示自干扰信道参数，nd表示信宿d接收到的均值为0方差为1的加性高斯白噪声，nr表示中继r接收到的均值为0方差为1的加性高斯白噪声(awgn)。

此时中继在单个时隙内采集到的能量可以表示为：

eh＝ηρ(ps|h2|²+pr|h4|²)。

由上述分析我们知道整个系统可能工作在以下三个状态：

a，信源s与信宿d进行通信，中继采集能量；

此时信宿d接收到的信号表示为：

信宿d的接收信噪比表示为：

γd＝ps|h1|²

其中，ps表示信源s的发送功率，h1表示信源s与信宿d之间的信道参数，xs表示信源s给信宿d的发送信号；

b，信源s到信宿d信道比较差时，信源s与信宿d仍然进行通信，中继进行解码转发；

此时信宿d接收到的信号表示为：

信宿d的接收信噪比表示为：

其中，pr表示中继r的发送功率，h2表示信源s与中继r之间的信道参数，h3表示的是中继r与信宿d之间的信道参数，h4表示的是自干扰信道参数，nd表示信宿d接收到的均值为0方差为1的加性高斯白噪声；ρ表示功率能量采集中的功率分配因子，xr表示中继r解码转发的信息；

c，整个系统停止通信，信源s给中继r发送能量信号；

此时信宿d的接收信噪比可以表示为：

γd＝0。

如图3所示为中断概率的monte-carlo仿真图。仿真中设能量采集利用率η＝0.5，功率分配因子ρ＝0.5。同时设t＝2³-1,eth＝25j,pc＝10w，pr＝eth-pc(pc为电路损耗功率)。可以发现本发明所提出来的传输协议在中等发送功率优于已有的功率分配能量采集协议。从图中还可以发现，在信源s的发送功率比较小时，能量阈值对中断概率影响比较小。信源s中等发送功率时，阈值越小，所获得的系统性能越好。而在高发送功率时，阈值越大，系统的性能越好。这是因为在中等功率时，如果阈值过高，则中继达到的能量条件的概率也会较小所以系统获得的性能也较差。而在发送功率较高时，中继达到的能量条件的概率趋近于1，所以阈值大小对中继达到能量条件的概率影响较小，而增大阈值，在pc不变的情况下相当于增大了中继的发送功率，所以性能相对较好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。