[发明专利]一种射频能量收集中继网络中的协作传输方法

说明书

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种射频能量收集中继网络中的协作传输方法，至少包含一个源节点，一个目的节点和一个中继节点，其中源节点和目的节点具有稳定的电力供给；中继节点为能量受限节点；在源节点广播信号时收集射频信号能量，转化为电能存储在电池中；在信息传输过程中，目的节点根据实时信道状态选择是否需要中继节点协作，中继节点根据自身能量状态和信道状态决策是否协作信息传输。本发明在提出的三种网络传输模式中进行合理选择，更加有效地利用中继节点收集到的能量，使得网络传输的可靠性得到显著提升；同时给出了最优的中继节点发射功率，能够进一步提高网络传输的可靠性。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种射频能量收集中继网络中的协作传输方法。

背景技术

随着信息技术的发展，越来越多的服务和业务被加入到无线网络中，如智能家居，医疗体域网，无线传感器网络等，使人们的生活和工作更加便利。然而同时，无线网络中的节点数目也呈现井喷式增长，在通信过程中消耗的能量也随之大幅增加。近些年来，能耗与环境问题越来越受到社会各界的格外关注。为了解决这一问题，未来的5G通信系统提出了绿色通信技术，其中能量收集技术作为实现绿色通信的一项关键技术受到广泛专注和研究。能量收集技术通过在通信节点处装配合适的天线和电子线路使得通信节点能够收集外界能量，如太阳能、风能和射频能量等。特别的是，通过设计网络的传输方案，射频能量收集技术具有更高的可控制性和稳定性，成为研究关注点。

射频能量收集技术的一项重要应用是射频能量收集中继网络。通过在网络中部署中继节点来辅助源节点到目的节点的信息传输，能够有效增加通信的范围和可靠性。然而在网络中引入中继节点一方面增加了网络的能量消耗，另一方面，在传统电网供能的方式下中继节点的部署需要考虑供电的便利性，在电池供能的方式下需要人工对电池进行更换或充电，增加了中继节点的维护成本。通过应用射频能量收集技术为中继节点供能，中继节点能够收集源节点发射的射频信号能量，作为自身工作的能量来源，避免了传统供能方式带来弊端，延长了中继节点的存活寿命。在射频能量收集中继网络中，网络的传输方法不仅直接影响网络信息的传输，而且影响中继节点能够收集到的能量，进而又对网络的传输性能产生影响。因此，射频能量收集中继网络中的传输方法需要被合理的设计。2015年AliA.Nasir等人在“IEEE Transactions on Communications”(《国际电气电子工程师协会通信汇刊》)上发表的“Wireless-Powered Relays in Cooperative Communications:Time-Switching Relaying Protocols and Throughput Analysis”(协作通信中的无线供能中继研究：时间切换中继协议以及吞吐量分析)分别提出了一种离散时间能量收集中继协作传输方法和一种连续时间能量收集中继协作传输方法，推导了网络可达吞吐量的解析表达式，并通过仿真验证了所提出的传输方法能够带来网络吞吐量的提升。然而在该项工作中，作者假设网络中源节点到目的节点的直传链路处于深衰落，在设计传输方法时忽略了直传链路的存在。实际上，由于中继节点能够收集到的射频能量通常很少，源节点的发射功率相比中继节点的发射功率大很多，故而即使源节点到目的节点的信道经历深衰落，源节点发出的通过直传链路抵达目的节点的信号同样能够在信息解码时发挥重要作用。考虑到该项因素，2016年Ziyi Li等人在“201624th European Signal Processing Conference”(2016年第24届欧洲信号处理会议)上公开的“Accumulate then Forward:An OpportunisticRelaying Protocol for Wireless-Powered Cooperative Communications”(累积后转发：一种无线供能协作网络中的机会式中继协议)考虑源节点与目的节点间存在直传链路，提出了基于中继节点能量状态的协作传输方法，其中中继节点根据自身能量状态选择是否协作信息传输，在中继节点不协作信息传输情况下，目的节点直接解码源节点发射的信号，在中继节点协作信息传输情况下，目的节点将源节点发射的信号和中继节点发射的信号进行最大比合并后再进行解码。然而，该传输方法忽略了信道状态对传输性能的影响：一方面，在源节点到目的节点链路较好时，中继节点无需浪费能量协作信息传输，相反由于半双工中继协作带来的谱效损失可能导致系统性能的降级；另一方面，在中继到目的节点信道衰落较大时，中继节点即使协作信息传输，目的节点仍然无法成功解码信息，导致中继节点能量的浪费。