一种高传输效率的无线携能协作GSM-MBM传输方法与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及无线携能技术、中继技术及gsm-mbm技术，主要提高系统的信息传输速率、降低能量消耗。具体涉及一种高传输效率的无线携能协作gsm-mbm传输方法。

背景技术

无线携能技术(swipt,simultaneouswirelessinformationandpowertransfer)是一种新型的能量采集技术，其主要目的是从用于信息传输的rf信号中获取所需能量。在接收端,根据swipt技术的两种协议-能量切割(ps，powersplitting)及时间切换(timeswitching),将接收的信号进行切割，一部分信息译码，另一部分能量采集。随着5g时代的到来，通信网络的能源消耗越发严重，为合理利用和节约能源，swipt技术是一种有前景的技术。

基于媒介索引调制(mbm)技术，通过在发射天线附近放置多个rf镜来实现的。将rf镜放置在发射天线附近相当于将散射体放置在靠近发射器的传播环境中。这些散射体(即rf镜)中的每一个的辐射特性可以通过施加于其上的on/off控制信号来改变。核心思想是将发送信息包含在传输媒介中，即利用信道的随机性和独立性来发送不同消息。所有传输信道将映射成为接收星座图，能够在不增加发射能耗的前提下增加接收星座图维度的大小，在提高频谱利用率和节省能耗上具有很大优势(不需要通过增加发送端的天线数量来提高频谱利用率)。

gsm-mbm技术，gsm技术与mbm技术的结合，gsm的突出特点是拓展了sm的空间域概念，改由多根被激活天线的组合构成空间星座点。因此，在配置相同数目的发射天线时，gsm-mbm系统往往能获得比sm-mbm系统更高的频谱效率。

考虑到swipt技术的优势，所以swipt技术在协作系统的应用成为研究热点。协作通信通过中继传播方式改善了覆盖范围、提供了额外的分集增益和数据速率。而将空间调制和协作通信相结合不仅可以增强覆盖范围，还可以提高频谱效率。基于sm的无线携能协作系统能实现良好的性能，但是相比传统mimo系统则存在传输效率不高的问题。

基于上述背景，本发明提出gsm-mbm无线携能协作传输方法。该方法在中继处使用gsm-mbm技术，即通过在中继处激活多根发射天线，并在天线附近安装rf镜来创建不同信道路径,利用信道的随机性和独立性来发送额外的信息比特，从而提高信息的传输效率，解决了频谱效率低的问题，同时，误码率性能也得到明显改善。

技术实现要素：

本发明针对无线携能协作空间调制系统的传输问题，提出了一种高传输效率的无线携能协作gsm-mbm传输方法。

本发明的一种高传输效率的无线携能协作gsm-mbm传输方法，包括下列步骤：

1)首先，设定信源具有ns根发射天线、中继具有nt根接收天线，目的节点具有nr根天线。在信源s端采用多天线传输，经过调制在中继r端接收。接收信号为表示为yr，根据swipt技术的能量切割(ps)协议，将接收的信号分为两部分，用于能量采集(eh)接收端，用于信息接收端的信息解码(id)，且0≤ρ≤1为能量切割因子。

2)对于信息接收端，将接收的射频(rf)信号首先通过解调和低通滤波(lpf)转换为基带信号然后对基带信号进行采样和通过模数转换器(adc)数字化，表示为

其中，ps为信源传输功率,为发送符号向量，hsr为s-r的信道矩阵,hsr中的元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为0，方差为1；是均值为0，方差为的加性高斯白噪声。然后进一步解码，采用译码转发(df)方式，采用最大似然(ml)算法：

3)在能量接收端，通过整流天线架构直接转换射频能量。在整流天线上，接收的rf频带信号经过整流器转换成直流(dc)信号，整流器由肖特基二极管和低通滤波器(lpf)组成。然后使用dc信号对电池充电以存储电池。我们假设将转换后的功率与存储在电池的功率成线性比例，具有转换效率0≤η≤1。我们还假设收获的能量由于噪音(包括天线噪音和整流器噪声)是一个小常数，因此被忽略。因此，在电池中存储的平均功率，单位为焦耳/秒，表示为q＝ξρps||hsr||²。

4)在中继端信号进行译码转发后，采用基于广义空间媒介调制(gsm-mbm)调制方式。gsm-mbm是基于媒介索引调制(mbm)技术与广义空间调制(gsm)技术的结合。

5)对于gsm-mbm系统，q＝[q1,q2,…,qn]表示输入比特，nt表示发射天线，nr表示接收天线。每根天线周围有mrf个rf镜，通过输入比特‘1’或‘0’分别控制rf镜的开或关，从而扰动发送天线附近的传输环境来随机化无线信道，进而改变整个传输路径。因此，对于一根天线，可由附近的mrf个rf镜产生种信道状态，而由mrf个信息比特来控制rf镜的一种开关状态叫做“镜像激活模式”(map)。

6)gsm-mbm系统信息比特通过三种方式传输：a)从nt个发射天线中选择na个用来传输信息，其中表示从nt个发射天线中激活na个的组合数，1≤na＜nt；b)每个激活的发射天线中的mrf个rf镜的开/关状态由mrfbit信息位控制，一共可以传输namrfbits信息；c)每个激活的发射天线发送调制符号(mqam或者mpsk)，共传输nalog2mbits信息。系统频谱利用率可以用下式表示：

7)由于在mbm-tu周围使用mrf个rf镜，mrf表示每根天线上rf镜的个数，因此每个mbm-tu上有种镜像激活模式(map)。令sm表示每mbm-tu的nm个map的集合，表示第j个mbm-tu到接收天线的信道矩阵。表示第j个mbm-tu的第k种map到接收天线的信道增益，其中表示第j个mbm-tu的第k种map与第i根接收天线的信道增益，其中表示第j个mbm-tu的第k种map与第i根接收天线的信道增益，目的节点的接收信号为:

其中pr是中继传输功率且pr＝q＝ξρps||hsr||²，ξ表示能量转换效率。sj表示第j个mbm-tu的发送符号，lj∈[1:nm]表示当sj≠0时第j个mbm-tu的map的索引令为nr×nmnt矩阵,(4)式可以改写为：

最后进行最大似然译码，判决度量表示为其中是nm×1向量，其第lj坐标为1，其他所有坐标为零。

按照上述的高传输效率的无线携能协作gsm-mb传输方法，本发明的有益效果为：

1)该发明方案使用了无线携能(swipt)技术，为中继端提供能量供应；

2)采用能量切割(ps)协议，相对于时间切换(ts)提高系统的性能；

3)采用协作通信，通过中继传播方式改善了覆盖范围、提供了额外的分集增益和数据速率。

4)中继端的处理方式采用gsm-mbm调制方式，可以提高整个方案的传输效率，降低了误码率、能耗和系统实现的复杂度。

附图说明

图1是按照本发明提出高传输效率的无线携能协作gsm-mbm传输方法的实施例示意图；

图2是按照本发明提出高传输效率的无线携能协作gsm-mbm传输方法

gsm-mbm,sm-mbm,simo-mbm,sm，mimo传输效率对比；

图3是按照本发明提出的高传输效率的无线携能协作gsm-mbm传输方法传输速率为8b/s/hz时gsm-mbm,sm-mbm,simo-mbm,sm的误码率性能分析；

图4是按照本发明提出的高传输效率的无线携能协作gsm-mbm传输方法传输速率为12b/s/hz时gsm-mbm,sm-mbm,simo-mbm,sm的误码率性能分析；

图5是按照本发明提出的高传输效率的无线携能协作gsm-mbm传输方法不同信噪比下，功率分配因子对ber的影响。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

按照本发明提出的高传输效率的无线携能协作gsm-mbm传输方法的实施例，如图1所示，按下列步骤进行：

1)首先，设定信源具有ns根发射天线、中继具有nt根接收天线，目的节点具有nr根天线。在信源s端采用多天线传输，经过调制在中继r端接收。接收信号为表示为yr，根据swipt技术的能量切割(ps)协议，将接收的信号分为两部分，用于能量采集(eh)接收端，用于信息接收端的信息解码(id)，且0≤ρ≤1为能量切割因子。

2)对于信息接收端，将接收的射频(rf)信号首先通过解调和低通滤波(lpf)转换为复基带信号然后对基带信号进行采样和通过模数转换器(adc)数字化，表示为

其中，ps为信源传输功率,为发送符号向量，hsr为s-r的信道矩阵,hsr中的元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为0，方差为1；是均值为0，方差为的加性高斯白噪声。然后进一步解码，采用译码转发(df)方式，采用最大似然(ml)算法：

3)在能量接收端，通过整流天线架构直接转换射频能量。在整流天线上，接收的rf频带信号经过整流器转换成直流(dc)信号，整流器由肖特基二极管和低通滤波器(lpf)组成。然后使用dc信号对电池充电以存储电池。我们假设将转换后的功率与存储在电池的功率成线性比例，具有转换效率0≤η≤1。我们还假设收获的能量由于噪音(包括天线噪音和整流器噪声)是一个小常数，因此被忽略。因此，在电池中存储的平均功率，单位为焦耳/秒，表示为q＝ξρps||hsr||²。

4)在中继端信号进行译码转发后，采用基于广义空间媒介调制(gsm-mbm)调制方式。gsm-mbm是基于媒介索引调制(mbm)技术与广义空间调制(gsm)技术的结合。

5)对于gsm-mbm系统，q＝[q1,q2,…,qn]表示输入比特，nt表示发射天线，nr表示接收天线。每根天线周围有mrf个rf镜，通过输入比特‘1’或‘0’分别控制rf镜的开或关，从而扰动发送天线附近的传输环境来随机化无线信道，进而改变整个传输路径。因此，对于一根天线，可由附近的mrf个rf镜产生种信道状态，而由mrf个信息比特来控制rf镜的一种开关状态叫做“镜像激活模式”(map)。

6)gsm-mbm系统信息比特通过三种方式传输：a)从nt个发射天线中选择na个用来传输信息，其中表示从nt个发射天线中激活na个的组合数，1≤na＜nt；b)每个激活的发射天线中的mrf个rf镜的开/关状态由mrfbit信息位控制，一共可以传输namrfbits信息；c)每个激活的发射天线发送调制符号(mqam或者mpsk)，共传输nalog2mbits信息。系统频谱利用率可以用下式表示：

7)由于在mbm-tu周围使用mrf个rf镜，mrf表示每根天线上rf镜的个数，因此每个mbm-tu上有种镜像激活模式(map)。令sm表示每mbm-tu的nm个map的集合，表示第j个mbm-tu到接收天线的信道矩阵。表示第j个mbm-tu的第k种map到接收天线的信道增益，其中表示第j个mbm-tu的第k种map与第i根接收天线的信道增益，其中表示第j个mbm-tu的第k种map与第i根接收天线的信道增益，目的节点的接收信号为:

其中pr是中继传输功率且pr＝q＝ξρps||hsr||²，ξ表示能量转换效率。sj表示第j个mbm-tu的发送符号，lj∈[1:nm]表示当sj≠0时第j个mbm-tu的map的索引令为nr×nmnt矩阵,(4)式可以改写为：

最后进行最大似然译码，判决度量表示为其中是nm×1向量，其第lj坐标为1，其他所有坐标为零。

高传输效率的gsm-msm与mimo、sm、simo-mbm、sm-mbm的传输效率对比，如具体表1所示。假设系统在同一个瑞利信道中传输。图2表示在不同的调制方式下各个系统的传输效率的对比，其中mrf＝2,nt＝2,na＝2。由图可知，当调制方式不同时，gsm-mbm的传输效率最高。

表1传输效率对比表

图3仿真了所提出的gsm-mbm的平均误码率的性能，使用sm-mbm，simo-mbm，sm进行比较。为了公平比较，保持各方案的频谱效率一致为8b/s/hz。simo-mbm和sm-mbm采用的符号是(nr,m,mrf)和(nt,nr,m,mrf)用于sm和gsm-mbm的符号分别是(nt,nr,m)，(nt,nr，na,m,mrf)由图可知，与需要16psk的simo-mbm相比，gsm-mbm在ber为10^-4时，snr增益为约为5db。而且gsm-mbm与sm-mbm在ber为10^-4时相比，snr增益约为1db。虽然sm相比gsm-mbm提高了2db增益，但sm需要的发射天线数却为根大幅度提高了系统实现的复杂性和成本的增加。

对于12b/s/hz的频谱效率(图4)类似于图3。gsm-mbm与simo-mbm相比产生大约4db的snr增益。与sm-mbm产生大约1db的snr增益。sm实现了snr增益约为1db但采用。可见，在同样频谱效率下，swipt协作系统中继处使用gsm-mbm技术的误码率性能要优于中继处使用simo-mbm或sm-mbm系统的性能，实现的复杂性要优于中继处使用sm的swipt协作系统，而且理论结果与实验仿真结果在中高信噪比范围内趋近一致。

图5表示在不同snr下功率分配因子ρ对目的节点的ber性能有显著影响。由图可知，ρ增加会增加收集的能量，从而提高第二链路性能。然而，在第一链路期间在中继节点处接收的snr随着ρ值的增加而减小。因此，ρ对整体性能具有两个相反的影响，这解释了图5中所描绘的曲线的凹型行为。然而，在不同的snr下都存在着不同最佳值。

上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不局限于上述实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可做出各种修改或改型。