[发明专利]基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法

权利要求书

1.一种基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法，其特征在于，包括下列步骤：

(一)构建无线网络的信息与能量双向传输系统模型，包括：

(1)系统场景分析

系统模型是无线网络中的三节点传输模型，包括源节点(S)、中继节点(R)以及信息节点(U)，固定源节点与信息节点的位置，中继节点放置于源节点与信息节点之间，三个节点处于一条直线上，忽略源节点与信息节点之间的直接传输，当信息节点需要向源节点发送信息时，同时信息节点自身的能量不足以供给本次发送，在发送信息之前，首先从源节点收集能量，再进行信息的发送，设置能量门限值用于判断中继节点剩余能量状态，在中继节点转发来自于信息节点的信息之前，判断中继节点的剩余能量的状态，与能量门限值对比，当中继节点累积的能量大于能量门限值时，进行信息的转发；

(2)建立信道模型

设定源节点与中继节点、中继节点与信息节点间信道系数分别为h和g，各个节点间的信道都为局部瑞利时隙衰落模型，在一个时隙内信道系数保持不变，不同时隙内信道系数各不相同，信道系数服从均值为0，方差为1的高斯分布，如公式(1)、公式(2)所示：

h～N(0,1) (1)

g～N(0,1) (2)

(3)源节点、中继节点以及信息节点间信息与能量传输过程

设定一个时隙的时间为T，τ为时间分配因子，整个时隙T内，τT时间内中继节点接收源节点的射频信号用于中继节点的能量累积，对于剩余的时间(1-τ)T，前一半时间用于信息从信息节点到中继节点的发送，最后的时间用于信息的转发；

(二)建立中继节点信号接收模型、中继节点信号转发模型、源节点信号接收模型以及信息节点能量信号接收模型；

(三)提出连续时隙能量累积协议与离散时隙能量累积协议，分别进行能量累积分析，得出系统吞吐量；

(四)以最大化系统吞吐量为目的，优化系统性能。

2.根据权利要求1所述的基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法，其特征在于，所述步骤(二)中建立中继节点信号接收模型、中继节点信号转发模型、源节点信号接收模型以及信息节点能量信号接收模型，具体如下：

(1)中继节点信号接收

根据所述的信道模型，中继节点接收信息节点发送的信号形式如公式(3)所示：

其中，y_r表示中继节点接收到的信号形式，表示路径损耗部分，d₂表示中继节点到信息节点的距离，m代表路径损耗因子，P_u为信息节点传输信息时的发送功率，g为中继节点与信息节点间信道系数，x_u为信息节点发送的归一化信息，E|x_u|²＝1，nr为中继节点的加性高斯白噪声；

(2)中继节点信号转发

中继节点采取放大转发(Amplify and Forward,AF)的模式对接收到的信号进行处理，具体形式如公式(4)所示：

其中x_r代表中继节点转发的信号，P_r为中继节点的发送功率，β为能量限制因子、保证中继节点能量收集与能量发送的平衡，避免发送的能量大于接收能量，为中继节点的噪声功率；

(3)源节点信号接收

源节点接收的中继节点转发的信号的形式如公式(5)所示：

其中y_s为源节点接收的中继节点转发的信号的形式，d₁为源节点到中继节点的距离，ns是源节点的噪声，源节点处接收信号的信噪比如公式(6)所示：

为源节点的噪声功率；

(4)信息节点能量信号接收

中继节点在向源节点发送信息的同时也向信息节点发送信号，用于信息节点的能量累积，具体形式如公式(7)所示：