全双工能量收集中继系统中鲁棒的中继节点选择方法

1.本发明属于携能通信技术领域，具体涉及到全双工能量收集中继系统中鲁棒的中继节点选择方法。


背景技术：

2.无线能量收集技术是指利用射频信号可以同时进行信息和能量传输的特点进行能量收集的技术，该技术被认为是延长能量受限无线中继网络使用寿命、实现绿色通信的有效解决方案。对于无线能量收集型协作中继系统的早期研究主要集中在半双工模式，由于半双工技术的分时隙对信号进行操作的特点，导致频谱效率低。为了提升频谱效率，全双工技术被提出，该技术在于可以在同一频率资源上同时发送和接收信息，与半双工技术相比，全双工技术可以将频谱效率提升一倍。虽然全双工技术可以得到显著的频谱效率的提升，但是同时接收和发送信号的操作也会造成较强的自干扰信号的影响，因此将自干扰信号视为一种额外的能量来源并进行收集，可以进一步提升系统的续航能力。
3.在协作中继网络中，所配置的中继数量越多，系统的自由度性能就越好。通常，为了减轻中继间的干扰，通常在多中继系统中基于不同载频、时隙或中继间扩展码分配正交信道，由于正交信道资源往往有限，这样的做法反而会减少部署多中继所带来的好处。因此，中继选择技术被认为是解决该问题最有前途的技术方案之一。
4.shizhao yang等人在“optimal resource allocationfor full-duplexwireless-powered relaying with self-energy recycling”(in proc.int.conf.wireless commun.signal process.(wcsp),xi’an,china,oct.2019,pp.1-6.)文章中，公开了一种全双工单中继网络下的资源分配，未考虑在多中继网络中采用中继选择方案的优势，无法合理利用潜在的分集增益，并且未考虑不完美信道状态信息对系统的影响，导致系统性能较差。
5.因此，在全双工协作多中继系统技术领域，当前需迫切解决的一个技术问题是提供一种全双工能量收集中继系统中鲁棒的中继节点选择方法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种方法简单、能充分利用频谱资源、有效提升系统性能的全双工能量收集中继系统中鲁棒的中继节点选择方法。
7.解决上述技术问题所采用的技术方案是由下述步骤组成：
8.(1)构建传输信号模型
9.使用全双工协作多中继系统传输信息，该系统包括一个信源节点、n个全双工中继节点ri和一个目的节点，n为有限的正整数，信源节点和目的节点各配置单根天线，n个全双工中继节点ri各配置两根用于发送和接收信息的天线，信源节点和目的节点间不存在直传链路，按式(1)、(2)、(3)分别建模具有鲁棒特性的从信源节点到第i个全双工中继节点的信
道模型从第i个全双工中继节点ri到目的节点的信道模型第i个全双工中继节点ri处回波干扰的信道模型
[0010][0011][0012][0013]
其中，i∈{1,2,...,n}，是的估计值，是的估计值，是的估计值，是的估计误差，是的估计误差，是的估计误差，服从cn(0,1)的分布，服从cn(0,1)的分布，的信道增益为-10db。
[0014]
将每一传输周期分为两个阶段，第一阶段信源节点发送信息信号给全双工中继节点ri，第二阶段信源节点发送能量信号给全双工中继节点ri，全双工中继节点ri在接收能量信号的同时解码转发信息信号给目的节点，并产生为全双工中继节点ri充电的干扰信号，全双工中继节点ri在第一阶段收到的信号为：
[0015][0016]
其中βi是每一传输周期的功率分配系数，0＜βi＜1，ps是每一个传输周期信源节点的发射功率，是信源节点到全双工中继节点ri的距离，取值为θ是路径衰减指数，θ取值为1～3，xs是信源节点发送的信息符号，是全双工中继节点ri处的加性高斯白噪声，全双工中继节点ri在第二阶段收到的信号和目的节点在第二阶段收到的信号yd为：
[0017][0018][0019]
其中xe是信源节点发送的能量符号，是每一个传输周期全双工中继节点ri的发射功率，是xs的解码信息符号，是全双工中继节点ri到目的节点的距离，取值为nd是目的节点的加性高斯白噪声，构建成传输信号模型。
[0020]
(2)确定传输周期的功率分配系数
[0021]
用中断概率最小化方法确定传输周期内的功率分配系数βi：
[0022][0023][0024][0025]
其中，γ
th
是目标信噪比，取值为0～5db，αi是每一传输周期的时隙分配系数，0＜αi＜1，是全双工中继节点ri处加性高斯白噪声的方差，取值为-40～5dbm，是信源节点到全双工中继节点ri的相对信道估计误差，取值为
[0026]
(3)确定传输周期的时隙分配系数
[0027]
按照式(8)建立等式：
[0028][0029][0030]
η＝η1η2[0031][0032][0033]
其中，是目的节点处加性高斯白噪声的方差，取值为-40～5dbm，η1是能量转换效率，0＜η1＜1，η2是能量利用效率，0＜η2＜1，是全双工中继节点ri到目的节点的相对信道估计误差，取值为对式(8)用一维搜索方法的黄金分割法，确定传输周期的时隙分配系数αi，按照第一阶段时隙与第二阶段时隙比为αi:1-αi的比例对第一阶段时隙和第二阶段时隙进行分配。
[0034]
(4)确定最优全双工中继节点
[0035]
根据功率分配系数βi结果，采用两步中继选择方法，第一步建立一个中继可正常工作的集合k：
[0036][0037]
第二步，在集合k中选择出使目的节点的可达速率最大的最优全双工中继节点为：
[0038][0039][0040]
其中是目的节点处的信噪比。
[0041]
(5)确定系统的中断概率
[0042]
用式(11)确定系统的中断概率p
out
：
[0043][0044]
其中|k|是集合k里全双工中继节点ri的数量，|k|的取值为0＜|k|＜n，r
th
是目标数据速率，0＜r
th
＜2bps/hz，是用最优全双工中继节点进行传输的目的节点处的信噪比。
[0045]
完成全双工能量收集中继系统中鲁棒的中继节点选择方法。
[0046]
(6)确定分集阶数和系统吞吐量
[0047]
按式(12)确定分集阶数d：
[0048][0049][0050]
其中γ是系统的传输信噪比，0＜γ＜50db，系统吞吐量r
total
为：
[0051]rtotal
＝(1-p
out
)r
th
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0052]
根据式(12)，若其全双工中继节点ri数量为n，则所得的系统的中断概率p
out
结果正确，若其结果不为n，则所得的系统的中断概率p
out
结果不正确；根据式(13)，用系统吞吐量r
total
显示系统性能。
[0053]
在本发明的构建传输信号模型步骤(1)中，所述的每一个传输周期的信源节点发送功率都为ps，且ps取值相等，ps的取值为0～10dbm。
[0054]
在本发明的构建传输信号模型步骤(1)的式(4)中，所述的是信源节点到全双工中继节点ri的距离，取值为在式(6)中，所述的是全双工中继节点ri到目的节点的距离，取值为且与相等。
[0055]
在本发明的确定传输周期的功率分配系数步骤(2)的式(7)中，所述的是信源节点到全双工中继节点ri的相对信道估计误差，为0.1；在确定传输周期的时隙分配系数步骤(3)的式(8)中，所述的是全双工中继节点ri到目的节点的相对信道估计误差，为0.1，且与相等。
[0056]
在本发明的确定分集阶数d和系统吞吐量r
total
步骤(6)的式(12)中，所述的γ是系统的传输信噪比，且γ取值为5db～40db。
[0057]
本发明建立了传输信号模型并提出了一个鲁棒的全双工中继节点选择方法，充分利用系统潜在的分集增益，以较低的复杂度提升了中断概率和吞吐量的性能。本发明与现有的单中继方法相比，在用户数量设置为3时，系统中断概率有了显著的降低，并且当信道估计误差值分别设置为0.05、0.1、0.2时，系统性能受到较大影响。本发明具有方法简单、资源分配合理、系统吞吐量大，具有现实指导意义等优点，可用于携能通信技术领域。
附图说明
[0058]
图1是本发明实施例1的工艺流程图。
[0059]
图2是本发明实施例1的仿真曲线。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于下述的实施方式。
[0061]
实施例1
[0062]
在图1中，本实施例的全双工能量收集中继系统中鲁棒的中继节点选择方法由下述步骤组成：
[0063]
(1)构建传输信号模型
[0064]
使用全双工协作多中继系统传输信息，该系统包括一个信源节点、n个全双工中继节点ri和一个目的节点，n为有限的正整数，信源节点和目的节点各配置单根天线，n个全双工中继节点ri各配置两根用于发送和接收信息的天线，信源节点和目的节点间不存在直传链路，按式(1)、(2)、(3)分别建模具有鲁棒特性的从信源节点到第i个全双工中继节点的信道模型从第i个全双工中继节点ri到目的节点的信道模型第i个全双工中继节点ri处回波干扰的信道模型
[0065][0066][0067][0068]
其中，i∈{1,2,...,n}，本实施例的n取值为3，是的估计值，是的估计值，是的估计值，是的估计误差，是的估计误差，是的估计误
差，本实施例的服从cn(0,1)的分布，服从cn(0,1)的分布，的信道增益为-10db。
[0069]
将每一传输周期分为两个阶段，第一阶段信源节点发送信息信号给全双工中继节点ri，第二阶段信源节点发送能量信号给全双工中继节点ri，全双工中继节点ri在接收能量信号的同时解码转发信息信号给目的节点，并产生为全双工中继节点ri充电的干扰信号，全双工中继节点ri在第一阶段收到的信号为：
[0070][0071]
其中βi是每一传输周期的功率分配数，0＜βi＜1，ps是每一个传输周期信源节点的发射功率，取值是0＜ps＜40dbm，是信源节点到全双工中继节点ri的距离，取值为本实施例的取值为5.38m，为5m，为5.38m，θ是路径衰减指数，本实施例的θ取值为2，xs是信源节点发送的信息符号，是全双工中继节点ri处的加性高斯白噪声，全双工中继节点ri在第二阶段收到的信号和目的节点在第二阶段收到的信号yd为：
[0072][0073][0074]
其中xe是信源节点发送的能量符号，是每一个传输周期全双工中继节点ri的发射功率，是xs的解码信息符号，是全双工中继节点ri到目的节点的距离，取值为本实施例的为5.38m，为5m，为5.38m，nd是目的节点的加性高斯白噪声，构建成传输信号模型。
[0075]
(2)确定传输周期的功率分配系数
[0076]
用中断概率最小化方法确定传输周期内的功率分配系数βi：
[0077][0078]
[0079][0080]
其中，γ
th
是目标信噪比，本实施例的γ
th
＝3db，αi是每一传输周期的时隙分配系数，0＜αi＜1，是全双工中继节点ri处加性高斯白噪声的方差，取值为-40～5dbm，本实施例的值为-30dbm，是信源节点到全双工中继节点ri的相对信道估计误差，取值为本实施例的的值为0.1。中断概率最小化方法由zhiguo ding等人在“power allocation strategies in energy harvesting wireless cooperative networks，”(ieee trans.wireless commun.vol.13,no.2,pp.846
–
860,feb.2014.)中公开。
[0081]
(3)确定传输周期的时隙分配系数
[0082]
按照式(8)建立等式：
[0083][0084][0085]
η＝η1η2[0086][0087][0088]
其中，是目的节点处加性高斯白噪声的方差，取值为-40～5dbm，本实施例的值为-30dbm，η1是能量转换效率，0＜η1＜1，本实施例的η1取值为0.25，η2是能量利用效率，0＜η2＜1，本实施例的η2取值为0.2，是全双工中继节点ri到目的节点的相对信道估计误差，取值为本实施例的取值为0.1，且与相等，对式(8)用一维搜索方法的黄金分割法，确定传输周期的时隙分配系数αi，按照第一阶段时隙与第二阶段时隙比为αi:1-αi的比例对第一阶段时隙和第二阶段时隙进行分配。一维搜索方法的黄金分割法为已知的方法，已在教科书《最优化理论与算法第2版(陈宝林)》中公开。
[0089]
(4)确定最优全双工中继节点
[0090]
根据功率分配系数βi结果，采用两步中继选择方法，第一步建立一个中继可正常工作的集合k：
[0091]
[0092]
第二步，在集合k中选择出使目的节点的可达速率最大的最优全双工中继节点为：
[0093][0094][0095]
其中是目的节点处的信噪比。两步中继选择方法由zhiguo ding等人在“relay selection for cooperative noma，”(ieee wireless commun.lett.,vol.5,no.4,pp.416
–
419,aug.2016.)中公开。
[0096]
(5)确定系统的中断概率
[0097]
用式(11)确定系统的中断概率p
out
：
[0098][0099]
其中|k|是集合k里全双工中继节点ri的数量，|k|的取值为0＜|k|＜n，r
th
是目标数据速率，0＜r
th
＜2bps/hz，本实施例的r
th
取值为0.1bps/hz，是用最优全双工中继节点进行传输的目的节点处的信噪比。
[0100]
完成全双工能量收集中继系统中鲁棒的中继节点选择方法。
[0101]
(6)确定分集阶数和系统吞吐量
[0102]
按式(12)确定分集阶数d：
[0103][0104][0105]
其中γ是系统的传输信噪比，0＜γ＜50db，系统吞吐量r
total
为：
[0106]rtotal
＝(1-p
out
)r
th
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0107]
根据式(12)，若其全双工中继节点ri数量为n，则所得的系统的中断概率p
out
结果正确，若其结果不为n，则所得的系统的中断概率p
out
结果不正确；根据式(13)，用系统吞吐量r
total
显示系统性能。
[0108]
实施例2
[0109]
本实施例的全双工能量收集中继系统中鲁棒的中继节点选择方法由下述步骤组成：
[0110]
(1)构建传输信号模型
[0111]
在实施例1的式(4)中，其中βi是每一传输周期的功率分配数，0＜βi＜1，ps是每一个传输周期信源节点的发射功率，取值是0＜ps＜40dbm，是信源节点到全双工中继节点ri的距离，取值为本实施例的取值为1.2m，取值为1m，取值为
1.2m，θ是路径衰减指数，本实施例的θ取值为1，xs是信源节点发送的信息符号，是全双工中继节点ri处的加性高斯白噪声。
[0112]
在实施例1的式(6)中，是xs的解码信息符号，是全双工中继节点ri到目的节点的距离，取值为本实施例的取值为1.2m，取值为1m，取值为1.2m，nd是目的节点的加性高斯白噪声。
[0113]
该步骤的其它步骤与实施例1相同。构建成传输信号模型。
[0114]
(2)确定传输周期的功率分配系数
[0115]
在实施例1的式(7)中，其中，γ
th
是目标信噪比，本实施例的γ
th
取值为3db，αi是每一传输周期的时隙分配系数，0＜αi＜1，是全双工中继节点ri处加性高斯白噪声的方差，取值为-40～5dbm，本实施例的取值为-40dbm，是信源节点到全双工中继节点ri的相对信道估计误差，取值为本实施例的的值为0.05。
[0116]
该步骤的其它步骤与实施例1相同。
[0117]
(3)确定传输周期的时隙分配系数
[0118]
在实施例1的式(8)中，其中是目的节点处加性高斯白噪声的方差，取值为-40～5dbm，本实施例的值为-40dbm，η1是能量转换效率，0＜η1＜1，本实施例的η1取值为0.1，η2是能量利用效率，0＜η2＜1，本实施例的η2取值为0.1，是全双工中继节点ri到目的节点的相对信道估计误差，取值为本实施例的取值为0.05，且与相等，对式(8)用一维搜索方法的黄金分割法，确定传输周期的时隙分配系数αi，按照第一阶段时隙与第二阶段时隙比为αi:1-αi的比例对第一阶段时隙和第二阶段时隙进行分配。
[0119]
该步骤的其它步骤与实施例1相同。
[0120]
(4)确定最优全双工中继节点
[0121]
该步骤与实施例1相同。
[0122]
(5)确定系统的中断概率
[0123]
在实施例1的式(11)中，其中|k|是集合k里全双工中继节点ri的数量，|k|的取值为0＜|k|＜n，r
th
是目标数据速率，0＜r
th
＜2bps/hz，本实施例的r
th
取值为0.05bps/hz，是用最优全双工中继节点进行传输的目的节点处的信噪比；
[0124]
该步骤的其它步骤与实施例1相同。
[0125]
完成全双工能量收集中继系统中鲁棒的中继节点选择方法。
[0126]
(6)确定分集阶数和系统吞吐量
[0127]
该步骤与实施例1相同。
[0128]
实施例3
[0129]
本实施例的全双工能量收集中继系统中鲁棒的中继节点选择方法由下述步骤组成：
[0130]
(1)构建传输信号模型
[0131]
在实施例1的式(2)中，其中βi是每一传输周期的功率分配数，0＜βi＜1，ps是每一个传输周期信源节点的发射功率，取值是0＜ps＜40dbm，是信源节点到全双工中继节点ri的距离，取值为本实施例的取值为10m，取值为10m，取值为10m，θ是路径衰减指数，本实施例的θ取值为3，xs是信源节点发送的信息符号，是全双工中继节点ri处的加性高斯白噪声。
[0132]
在实施例1的式(6)中，是xs的解码信息符号，是全双工中继节点ri到目的节点的距离，取值为本实施例的取值为10m，取值为10m，取值为10m，nd是目的节点的加性高斯白噪声。
[0133]
该步骤的其它步骤与实施例1相同。构建成传输信号模型。
[0134]
(2)确定传输周期的功率分配系数
[0135]
在实施例1的式(7)中，其中，γ
th
是目标信噪比，本实施例的γ
th
＝3db，αi是每一传输周期的时隙分配系数，0＜αi＜1，是全双工中继节点ri处加性高斯白噪声的方差，取值为-40～5dbm，本实施例取值为5dbm，是信源节点到全双工中继节点ri的相对信道估计误差，取值为本实施例的的值为0.2。
[0136]
该步骤的其它步骤与实施例1相同。
[0137]
(3)确定传输周期的时隙分配系数
[0138]
在实施例1的式(8)中，其中是目的节点处加性高斯白噪声的方差，取值为-40～5dbm，本实施例取值为5dbm，η1是能量转换效率，0＜η1＜1，本实施例的η1取值为0.9，η2是能量利用效率，0＜η2＜1，本实施例的η2取值为0.9，是全双工中继节点ri到目的节点的相对信道估计误差，取值为本实施例的取值为0.2，且与相等，对式(8)用一维搜索方法的黄金分割法，确定传输周期的时隙分配系数αi，按照第一阶段时隙与第二阶段时隙比为αi:1-αi的比例对第一阶段时隙和第二阶段时隙进行分配。
[0139]
该步骤的其它步骤与实施例1相同。
[0140]
(4)确定最优全双工中继节点
[0141]
该步骤与实施例1相同。
[0142]
(5)确定系统的中断概率
[0143]
在实施例1的式(11)中，其中|k|是集合k里全双工中继节点ri的数量，|k|的取值为0＜|k|＜n，r
th
是目标数据速率，0＜r
th
＜2bps/hz，本实施例的r
th
取值为1.9bps/hz，是用最优全双工中继节点进行传输的目的节点处的信噪比。
[0144]
该步骤的其它步骤与实施例1相同。
[0145]
完成全双工能量收集中继系统中鲁棒的中继节点选择方法。
[0146]
(6)确定分集阶数和系统吞吐量
[0147]
该步骤与实施例1相同。
[0148]
为了验证本发明的有益结果，发明人采用本发明实施例1的全双工能量收集中继系统中鲁棒的中继节点选择方法与单中继传输系统进行了对比仿真实验，实验结果见图2，图2是中继数量为3、相对信道估计误差ρ分别为0.05、0.1、0.2时系统中断概率p
out
随系统传输信噪比γ变化的结果图。在图2中，中继数量为3时的系统中断概率p
out
低于中继数量为1时的系统中断概率p
out
，且对信道估计误差ρ为0.2时的中断概率p
out
高于相对信道估计误差ρ为0.05时的中断概率p
out
，由图2可见，说明了中继数量的增加会使系统的中断性能更好，且增加相对信道误差ρ会导致系统中断概率p
out
的性能变差。