多跳放大转发中继无线携能通信系统的协议混合方法与流程

本发明属于无线携能通信领域，具体涉及一种多跳放大转发中继无线携能通信系统中的对时间分配和功率切割这两种协议的的动态混合方法，旨在实现最佳的无线携能通信性能。

背景技术：

应急通信系统在遇到自然灾害、事故隐患、公共卫生事件、社会安全事件等突发事件后，可以保证指挥调度管理系统的通畅运行。对于常见情况，应急通信操作通常发生在距离固定常规基站最远的地方，因此单跳中继几乎没有任何意义。为了进一步扩大传输范围，可以采用多跳无线中继。多跳放大转发中继是一种常用的多跳无线中继协议，其中继节点接收来自其前一跳中继节点或信源的信号，然后仅仅是简单地放大它们，在将它们转发到下一个中继节点或目的地之前，不再做任何处理。

然而，传统的放大转发中继协议存在一个严重的问题，即所有的中继节点必须由有线电力设施或太阳能电池供电，这在某些应用中显然是不可取的，例如那些在同一网络中的对等用户并且依靠电池进行操作的中继节点。中继任务将会更快地耗尽电池能量。因此，中继节点本身会受到更多的能量限制。为解决这个问题，可以采用无线能量收集，其实现分为两部分：一是一个能量收集器，它不仅从信源节点，还从其他相邻源收集来自传输信号的能量；二是一个执行放大转发操作的中继器。无线能量收集的两个重要协议是时间分配和功率切割。其中时间分配接收器是根据时间分配比在无线能量收集和无线信息传输之间切换，接收到的射频信号先切换到能量收集器，再切换到信号接收器；而功率切割接收器是根据功率切割比将接收信号分成两部分，一部分用于能量收集器，另一部分用于信号接收器。

无线携能通信是将无线能量传输与无线信息传输相结合的产物。为了补充通信受损区域或通信覆盖盲区，可以利用无线信息传输；而补充电力受损区域或电力覆盖盲区，则可采用无线能量传输。因此，对于应急通信系统来说，无线携能通信是一种扩大信号传输范围或扩大网络覆盖范围的有效方法。关于时间分配和功率切割的研究了已经有了相当多的工作。对于无线携能通信多跳系统，仅从延长传输范围或增加基站网络覆盖的角度来看，时间分配优于功率切割；然而，对于单中继系统而言，从提高信噪比和误码率的通信性能的角度来看，功率切割优于时间分配。因此，基于辩证思维，在选择时间分配协议或功率切割协议时需要权衡优化问题。目前也已经提出了一些启发式的方法来说明混合两种协议在提高整体连接无线携能通信系统性能方面的优势。然而，这些工作主要集中在双跳中继的混合时间分配和功率切割协议，混合时间分配和功率切割的无线携能通信的多跳中继方面的研究很少，这限制了混合协议特别是在应急通信区域方面的应用范围。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种多跳放大转发中继无线携能通信系统的协议混合方法，即能够求解出最优的功率分配和时间分割这两种协议的分配比率的方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种多跳放大转发中继无线携能通信系统的协议混合方法，包括以下步骤：

步骤1，建立多跳放大转发中继下行链路无线携能通信系统模型，确定基本参数；

设每一跳中传送信号需要t秒，对于第m跳中第m个中继，m＝1,2,…；设其协议混合比率为：αm代表时间分配协议比率，βm代表功率分配比率，即协议中继花费αmt时间收集来自信源或前一跳信号的能量，其中0≤αm＜1；中继将整个中继时间t的1-αm部分的接收信号功率分割成两部分，占比为βm部分的用于收集能量，其中0≤βm＜1，另一部分用于信息传送；

根据工程应用的实际情况，确定以下参数的数值：第m个中继的射频前端引入的加性高斯白噪声的方差第m个中继的射频到基带转换操作中引入的加性高斯白噪声的方差第m跳的衰弱系数um，第m个中继的平均衰落功率所述的m＝1,2,…；

步骤2，根据数学公式推导计算得到混合比例结果；

根据工程应用的实际情况给出初值能量转换效率η、初始功率p0、第m个中继的吞吐量c0、t、βm,m＝1,2,...,通过迭代依次计算m＝1,2,...时的αm；

每一步迭代时，先求解第i个中继处的放大因子gi：所述的i＝1,2,…,m-1；

利用已知的gi、pi,i＝1,2,…,m-1，通过数值计算软件matlab求解以下非闭合表达式，得到αm的值：

再计算第m个节点的传输功率pm，代入下一步迭代进行计算：

作为本发明的一种优选，所述的步骤1中的参数设定为δm＝0.1，m＝1,2,…。

作为本发明的另一种优选，所述的步骤2中的初值设定为：c0＝2；t＝1；η＝0.8。

作为本发明的又一种优选，所述的步骤2中的初值设定为：β1＝βm,m＝1,2,....且βm取值范围为0＜βm＜1,m＝1,2,....，具体值根据实际工程应用对最大跳数的要求进行调整确定；初始功率p0根据初始信噪比来决定，初始信噪比取值为50db。

本发明具有如下有益效果：本发明能够在初始功率和吞吐量一定的情况下，通过调整混合时间分配和功率切割两种协议中能量收集的不同时间和功率，最大化中继传输范围，帮助实现最佳的无线携能通信系统的性能。

附图说明

图1为本发明多跳放大转发中继无线携能通信系统的协议混合模型示意图；

图2为本发明实施例中多跳放大转发中继下行链路传输系统的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例

本实施例提供了一种多跳放大转发中继无线携能通信系统的协议混合方法，包括以下步骤：

步骤1，如图1所示，建立多跳放大转发中继下行链路无线携能通信系统模型，确定基本参数；

本实施例应用在一个经过m跳的从信源(s)到目的地(rm/d)的多跳放大转发中继下行链路传输系统中。如图2所示，在每一跳中，前一节点的发射机将封装信号发送到下一个节点，下一个节点的接收机收集能量，然后将重新封装的信号中继到下一跳，直到它到达目的节点为止。其中m＝1,2,…，dm是第m跳中的节点距离，nma[k]是由第m个中继的射频前端引入的加性高斯白噪声，nmc[k]是在第m个中继的射频到基带转换操作中引入的加性高斯白噪声。

如图1所示，设每一跳中传送信号需要t秒，对于第m跳中第m个中继，m＝1,2,…；设其协议混合比率为：αm代表时间分配协议比率，βm代表功率分配比率，即协议中继花费αmt时间收集来自信源或前一跳信号的能量，其中0≤αm＜1；中继将整个中继时间t的1-αm部分的接收信号功率分割成两部分，占比为βm部分的用于收集能量，其中0≤βm＜1，另一部分用于信息传送；

根据工程应用的实际情况，确定以下参数的数值：第m个中继的射频前端引入的加性高斯白噪声的方差第m个中继的射频到基带转换操作中引入的加性高斯白噪声的方差第m跳的衰弱系数um，第m个中继的平均衰落功率所述的m＝1,2,…；本实施例中，δm＝0.1，m＝1,2,…。

步骤2，根据数学公式推导计算得到混合比例结果；

根据工程应用的实际情况给出初值η、p0、c0、t、βm,m＝1,2,...,通过迭代依次计算m＝1,2,...时的αm；本实施例中取值η＝0.8；c0＝2；t＝1；β1＝βm＝0.6,m＝1,2,....，初始功率p0根据初始信噪比来决定，初始信噪比取值为50db；

每一步迭代时，先求解第i个中继处的放大因子gi：所述的i＝1,2,…,m-1；

利用已知的gi、pi,i＝1,2,…,m-1，通过数值计算软件matlab求解以下非闭合表达式，得到αm的值：

再计算第m个节点的传输功率pm，代入下一步迭代进行计算：

事实上，η以及βm的取值范围在0和1之间，βm取值可以为0.3、0.6、0.9等等，根据实际工程应用过程中对最大跳数的要求进行调整确定。

数值仿真结果表明，在每个中继的总传输功率和吞吐量的约束下，功率传输效率和信息传输性能之间存在权衡，可以通过动态调整两个混合因子αm和βm来实现权衡，以实现最佳无线携能通信系统的中继性能。应当避免使用αm＝0或βm＝0时的降级情况。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。