本发明涉及一种基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，属于移动通信技术领域。
背景技术
近年来，“绿色通信”理念的提出激发了学者对无线携能通信(simultaneouswirelessinformationandpowertransfer，swipt)技术的研究，该技术允许无线通信设备从射频信号中采集能量，以降低自身能量的消耗。这对能量受限的通信系统来说非常有吸引力，尤其是恶劣环境下远距离的通信，因为电池的充电和更换相当困难。因此人们试图寻求一种能量自给自足且适应远距离通信的技术，即基于中级的额swipt技术。这样既可以扩大通信覆盖范围，又可以缓解中继电池能量的短缺问题，延长了网络寿命，提高了资源利用率。
文献[a.a.nasir,x.zhou,s.durrani,andr.a.kennedy,“relayingprotocolsforwirelessenergyharvestingandinformationprocessing,”ieeetrans.wirelesscommun.,vol.12,no.7,pp.3622–3636,july.2013.]介绍了一种最简单的三节点模型，即源端-中继-宿端，首次将swipt与放大转发(amplify-and-forward，af)中继技术结合；文献[z.chen,p.xu,z.dingandx,dai,“cooperativetransmissioninsimultaneouswirelessinformationandpowertransfernetworks,”ieeetrans.vehicular,vol.65,no.10,pp.8710–8715,oct.2016.]将简单的三节点模型拓展为多中继的模型，在此模型下，有两个主要的研究点，包含中继接收结构的设计和中继的选择。通常，为了获得更好的系统性能，可以联合设计中继的接收结构和中继的选择；然而大部分有关中继选择的现有技术忽略了中继储能的能力，且都是以af中继为研究对象。为提高协作通信质量，考虑中继储能是比较合理的选择；本发明将研究方向拓展到解码转发(decode-and-forward，df)中继上，在考虑电池储能上限的基础上研究多中继协作通信。
技术实现要素：
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，从中继的转发集中选一个最佳中继，该中继既能成功解码源信号又能为目的节点d提供足够的信噪比。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，所述无线携能通信的通讯网络包括一个源节点s、一个目的节点d和n个df中继节点，d不在s的广播范围内；信号传输包含两跳信道，
(1)第一时隙，源节点s以固定速率r向中继ri广播信号，中继通过功率分割器对接收信号进行功率切分，调节功分因子ρi值使第一跳信道容量达到速率要求；满足前述条件的中继集合定义为解码集；
(2)第二时隙，成功解码的中继利用电池和采集的能量向目的节点d转发信号，并调节发射功率使第二跳信道容量达到速率要求；满足前述条件的解码中继集合定义为转发集；
(3)在多中继协作传输的无线携能通信系统中，以系统最大剩余能量为中继选择标准，从转发集中选出一个最佳中继转发；同时，本次传输的剩余能量将作为下一次传输的初始能量。
进一步地，步骤(1)中，中继通过功率分割器对接收信号进行功率切分后，接收信号的ρi部分用于信息解码，(1-ρi)部分用于能量采集。
进一步地，当ρi值为1，即接收信号全用于信息解码时，能使信道容量满足速率要求的中继是可解码的，则解码集
其中s-ri第一跳信道容量
进一步地，步骤(2)中，电池能量与采集能量之和，即中继存储的所有可用能量为
进一步地，步骤(2)中，当解码中继以最大功率转发时能使ri-d信道容量满足速率要求的中继是可转发的，转发集
其中ri-d第二跳信道容量
进一步地，步骤(3)中，中继选择的具体过程如下，
31)计算信号第k次传输时最佳中继转发所消耗的能量；
32)计算信号第k次传输时n个中继存储的所有可用能量；
33)以最大剩余能量为选择标准，利用中心式策略筛选中继；以目的节点d为中心节点，借助所有信道状态信息执行协同节点选择算法并将所选中继的下标存入中心表中；
34)根据中心表获得最佳中继下标，更新第[k+1]次传输时n个中继的初始储能。
有益效果：本发明提供的基于中继储能的无线携能通信协作传输方案，在优先满足系统速率的前提下，以最大剩余能量为中继选择标准；最佳中继在转发信号，剩余中继全部采集能量，从而可最大限度地储能，以备未来通信使用。与传统技术相比，一方面，本方案延长了swipt通信的传输距离和网络寿命，另一方面缓解了中继通信中能量短缺的问题，实现了真正意义上的绿色通信。
附图说明
图1为本发明的系统模型示意图；
图2为本发明中功率分割器的结构示意图；
图3为本发明中能量收集型中继的ps接收结构图；
图4为本发明中网络寿命随源节点发射功率变化的仿真曲线图；
图5为本发明中网络寿命随系统固定速率变化的仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
无线携能通信网络包括一个源节点s，一个目的节点d和n个df中继节点，d不在s的广播范围内，即源节点s到目的节点d没有信号直达路径，如图1所示。信号传输包含两跳信道，
针对网络第k(k≥0)次传输过程，一种基于中继储能的无线携能通信协作传输方案的步骤如下：
(1)第一时隙，源节点s以固定速率r向中继ri广播信号，中继通过功率分割器对接收信号yi[k]进行功率切分，调节功分因子ρi值使第一跳信道容量达到速率要求；接收信号的ρi部分用于信息解码，(1-ρi)部分用于能量采集；将满足前述条件的解码中继集合定义为解码集。功率分割器的结构示意图如图2所示，天线接收信号在射频端被分割成两部分，分别输入信息解码模块和能量采集模块。
中继接收信号为
式中，ps为源节点发射功率，x[k]为归一化的发送信号，
采用图3的ps接收结构，其中
(2)第二时隙，成功解码的中继利用电池和采集的能量向目的节点d转发信号，并调节发射功率使第二跳信道容量达到速率要求，将满足此条件的解码中继集合定义为转发集。
电池的初始能量和采集能量之和，即中继存储的所有可用能量
其中，
以最大可用能量转发信号，信道容量达到速率要求的解码中继是可转发的，则转发集
(3)在多中继协作传输的swipt系统中，系统剩余能量越大，网络生存越久，以此为中继选择标准，从转发集中选出一个最佳中继转发。同时本次传输的剩余能量将作为下一次传输的初始能量。
最佳中继的选择步骤具体如下：
31)计算信号第k次传输时最佳中继转发所消耗的能量：
wconsume[k]＝piopt[k]t/2，
式中，
32)计算信号第次传输时n个中继存储的所有可用能量：
33)以最大剩余能量为选择标准：
利用中心式策略筛选中继；以目的节点d为中心节点，借助信道的状态信息执行协同节点选择算法，将选中的中继下标存入中心表中同时反馈给中继节点，以便进行中继的能量更新。所述中心式策略是先将所需信号传送到目的端，目的端再使用中继节点选择算法将执行结果返回至源端和相应中继节点处。
34)根据中心表获得最佳中继下标，更新第[k+1]次传输时n个中继的初始储能，
仿真实验与效果分析：
仿真说明：仿真实验时，本发明提供的技术方案与现有技术中常用的两种方案进行对比，现有技术中常用的两种方案选择为“无eh转发集”和“eh解码集”，“无eh转发集”的中继选择标准与本发明一致，但该方案不考虑中继储能；“eh解码集”的中继可以采集能量，但中继选择标准是常见的最大cid容量。
仿真参数：中继数n＝5，t＝0.1μs，η＝0.5；信道参数
仿真结果分析：
如图4所示，源节点发射功率越大，中继集能越多，网络通信次数越多；从图中可以看出，本发明提供的方案可以明显延长网络寿命，效果显著。
如图5所示，通信要求的信号传输速率越大，中继接收信号用于信息解码的就越多，用于采集能量就越少，通信次数相应减少。从图中可以看出本发明提供的方案下网络寿命受速率值变化的影响较大，因此工程中应因地制宜，选择合适的固定速率。
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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。