一种基于接收能量最大化的携能通信系统双向中继选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及双向携能通信系统，尤其设及一种基于接收能量最大化的携能通信系 统双向中继选择方法。
【背景技术】
[0002] 无线供电的中继通信是一种新的网络模式，用户从信号中收集的能量一部分用来 解码信号，一部分保存下来用于下次通信，用户的电池可W通过微波无线电力传输装置进 行远程补充技术(WPT)，无线供电的通信网络(WPCN)减少了频繁地手动更换电池 W及充电 的麻烦，并有更高的吞吐量，更长的元件寿命，W及更低的网络运营成本。此外，WPCN可W根 据不同的环境和服务需求控制它的发射功率，波形、占用时间、频率尺寸等。
[0003] 中继是网络物理层的连接设备，主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转 发，来扩大网络传输的距离。简单通俗地说，中继就是用来在网络中放大信号的，而双向中 继通信方案在同一个物理信道中支持了两个单向信道，实现了更大的和速率，因此双向中 继技术得到了广泛的研究，该技术可W提高系统吞吐量，弥补单向中继系统频谱低下的缺 点。目前，双向中继系统为无线局域网(WLAN，Wireless Local Area Network)、无线传感器 网络(WSN，Wireless Sensor Networks)中的高效数据通信提供了一种有效的技术手段，已 经得到学术界和产业界的高度重视。
[0004] 运里采用基于用户接收能量最大准则制定中继选择方案。受电池技术发展的限 审IJ，电源能量极其有限，为了解决能量受限问题，将能量收集技术作为能量补充手段的可充 电网络应运而生，为长期有效运行提供了可能。能量收集技术为解决无线传感器网络的能 源供给问题提供有效途径的同时，也为可充电传感器网络的研究带来挑战：由于所获取的 能量是不稳定且不可控的，如何最大化所获取的能量，使得网络性能得到优化是可充电传 感器网络中急需解决的首要问题。可充电传感器网络不仅具有传统电池供电的无线传感器 网络所有的优点，如易部署、低功耗、大规模、自组织、可靠性强等特点，还具有W下优势:无 需定期维护、更好的服务质量、持久性工作、绿色环保等。能量收集技术使传感器节点能够 克服电能量受限问题，为无线传感器网络长期有效地工作提供了可能。然而，由于采用能量 收集技术从信号中获取的能量具有时变特性，因此如何利用获取的能量来最大化成为关键 问题。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题为:一种带无线充电的基站和用户双向通信在用户收集 能量最大下的中继选择方案，由一个基站、多个中继和一个用户组成，其中基站和中继配有 电池，用户没有电源供应，采用无线充电技术，从接收信号中收集能量并进行充电。本发明 中，中继有一个放大器，基站和用户都一个解码器，系统还配备一个选择控制器。
[0006] 本发明中W用户收集能量最大为准则进行中继的选择，用户主要由通信设备、控 制器、能量获取模块、能量存储模块等模块组成。本发明中所有节点都W半双工模式工作在 同一频段，所考虑的基站和用户之间没有直接联系，而是通过选定的中继协作通信。在第一 个时隙内，用户和基站同时向中继发射各自的信号，在第二个时隙内，中继节点将接收到的 信号首先进行放大，再向用户和基站转发，基站和用户各自解码出所需要的信息。
[0007] 不同的中继网络有一个对应的放大器，用来将接收信号放大W满足中继的功率限 审IJ，基站和用户都有一个解码器，发送端能量发射器和信号发射器的有两套天线系统，系统 各个节点包括接收单元、发送单元和数据处理单元，基站和用户中继在接入控制单元的控 制下，通过中继转发进行通信。
[0008] 本发明所述的系统基于接收能量最大化的中继选择方案，包括W下步骤：
[0009] 步骤一，选择控制器探测各中继信道状态信息，根据本发明方案准则进行中继选 择；
[0010] 步骤二，基站和用户同时发送信息给选定的中继，；
[0011] 步骤=，中继对接收到的信号放大并转发给基站和用户；
[0012] 步骤四，基站和用户对接收到的信号解码，其中用户收集能量，在给定的功率因子 下一部分能量用来解码信号，一部分能量保存下来为下次发送信号提供能量；
[0013] 假设基站为B，用户为U，i个中继分别为化，化，...Ri。
[0014] 基站接收信号表达式为
[0016]用户接收信号表达式为
[0018] 用户收集能量为
[0019] 运=八Pr, I客,'|2
[0020] 在接收能量最大化方案下选择的中继Ri应满足
[0021] /化"二姐餐化敍mi打梦2 J i
[0022] 运里定义系统能量中断概率为PoutE = Pr{PE<PthE}，由于用户收集的能量要勇于下 次通信，所W收集能量有个最小值为PthE,收集能量越大则对应系统能量中断概率越小，可 W用系统能量中断概率表征用户收集能量。
[002；3]其中，中继放大因子
，为中继接收到的信号，hi为基 站和中继之的信道系数，gi为用户和中继之的信道系数，,分别为用户、基站和中 继接收信号噪声方差，P为用户端功率分配因子。
[0024]进一步的，本发明可W做到系统的选择控制器在通信之前探测系统的信道信息， 从而找到最佳的中继。与随机选择相比，该方案明显提高了系统用户收集能量，降低了系统 的能量中断概率。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明系统结构示意图；
[0026] 图2为本发明方法流程图；
[0027] 图3为用户模块结构图；
[00%]图4本方案与随机选择的能量中断概率对比图。
【具体实施方式】
[0029 ] W下结合附图和具体实施例进一步描述。
[0030] 结合图1，图2,图3,本发明基于接收能量最大化为准则进行中继基站和用户双向 通信系统由一个基站、多个中继和一个用户组成，其中基站和中继配有电池，用户没有电源 供应，采用无线充电技术，从接收信号中收集能量并进行充电。本发明中，中继有一个放大 器，基站和用户都一个解码器，系统还配备一个选择控制器。
[0031] ，本发明中W用户收集能量最大为准则进行中继的选择，用户主要由通信设备、控 制器、能量获取模块、能量存储模块等模块组成。本发明中所有节点都W半双工模式工作在 同一频段，所考虑的基站和用户之间没有直接联系，而是通过选定的中继协作通信。在第一 个时隙内，用户和基站同时向中继发射各自的信号，在第二个时隙内，中继节点将接收到的 信号首先进行放大，再向用户和基站转发，基站和用户各自解码出所需要的信息。
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