[发明专利]一般干扰下SWIPT中继资源分配方法

权利要求书

1.一种一般干扰下SWIPT中继资源分配方法，其特征在于，包括：

(1)建立基于DF的中继系统模型；

(2)基于步骤(1)建立的模型定义整条链路的非中断概率p_non＝p₁p₂；

其中，为发射机到接收机的非中断概率；为中继到接收机的非中断概率；其中，P_s为发射信号的平均功率，P_R为转发信号的功率，r₀为传输速率阈值，ε为直线h₂与h轴交点，h₁为DF区域与EH区域分割线，h₂为资源分配线I为干扰i的功率值I，θ_I为I的期望，θ_h为信道增益h的期望，θ_g为信道增益g的期望，且信道增益h和g均服从指数；

(3)以最大化非中断概率为目标建立优化问题P5：

(P5)max p_non(ε)＝p₁p₂

(4)采用黄金分割法对步骤(3)中的优化问题P5进行求解，求出最优的资源分配分割线h₂以及最大的非中断概率；

其中，基于DF的中继系统模型采用DF转发方式的中继系统模型；收集到的能量被分为两部分，一部分用于转发信息，假设转发信号的功率为P_R；另一部分被解码电路消耗，假设消耗能量的功率为P_C；

发射机的发射信号用表示，其平均功率为P_S；信号经过无线信道到达中继，信道增益为h，同时到达中继的还有一般干扰信号i；y_R表示中继接收到的信号，n_R是中继天线噪声；中继接收的信号经过时间切换器分为两路，上路信号用于解码转发，下路信号用于收集能量，并为转发信号提供了大小为P_R转发放大功率，经过放大后的信号为x_R；经过信道增益为g的无线信道，信号到达接收机，接收到的信号被表示为y_D；同时，接收机天线噪声被引入；

在干扰环境中，中继和接收机所接收信号的信噪比受到信道状态的影响，当信道状态良好时，接收信号的信噪比高，反之，信号的信噪比会很差；而且，随着干扰的不断变化，信号的信噪比也会发生波动；考虑信道增益h，g为相互独立的随机变量，且分别服从期望为θ_h和θ_g的指数分布；中继采用TS运行策略，此时中继的有两种工作模式，分别定义为解码转发(DF)模式和能量收集(EH)模式；中继根据h，I和g来判断自身的最优工作状态，其中，I为干扰功率值；将通信过程分割为若干时隙，并假设中继获取信道状态信息，即h，I和g；当一个时隙到来时，中继通过判断信道状态信息，确定将该时隙分配给EH或DF；

先考虑从发射机到中继这一通信过程，在某一信道状态下，中继端接收信号表示为：

该信号信噪比为：

此时，瞬时信息速率表示为

中继能量收集功率为

P_EH＝η(hP_S+I)

其中，η为能量转换效率，为了方便起见，此处令η＝1；

考虑延迟限制传输，即传输速率低于阈值r₀时会导致通信中断，将发射机到中继通信的中断概率表示为：

定义非中断概率p₁＝1-p_out，p₁那么表示为：

再考虑从中继到接收机这一通信过程，在某一信道状态下，接收机接收信号为：

式中，x_R表示中继的转发信号，假设中继正确解码信息，那么因此接收机接收信号的信噪比为：

此时，中继到接收机的瞬时信息速率表示为：

同样考虑阈值为r₀的延迟限制传输，中继到接收机的非中断概率p₂表示如下：

以h为纵轴，以I为横轴，得到h-I坐标系，称为资源分配坐标系，如果要求发射机到中继传输不能中断，那么h和I必须满足：

化简得：

令将发射机到中继传输不发生中断的条件映射到h-I坐标系，在非中断区域区域传输信息不会发生中断，中继应该工作在DF模式，因此该区域称为DF区域；与之相反，在h₁下区域进行信息传输会导致中断，因此，h₁下方区域中继应该工作在EH模式，该区域称为EH区域；中继收集的能量被分为两份，用公式表示为：

P_EH＝P_C+P_R

P_EH为能量收集功率，P_C为电路消耗的固定功率，因此，P_R的大小取决于中继能量收集功率的大小；对于中继到接收机，通信不中断需要满足R_RD≥r₀，即对于不同的信道状态g，中继需要不同的转发功率才能确保通信不中断；需要从解码转发区域划分出一定的区域用于能量收集；定义资源分配线h₂是垂直于h轴的一条直线，与h轴的交点为(0，ε)；h₂与h₁共同的上方区域被划分出来用于能量收集，h轴、h₁和h₂共同构成的三角形区域用于解码转发；h₁与h轴的交点为发射机总是要给中继传输信息的，因此阴影部分的三角形区域不能为0，那么资源分配线需要满足即ε的取值范围是

针对图DF区域和EH区域分配情况，发射机到接收机的非中断概率表示为：

2.根据权利要求1所述的一般干扰下SWIPT中继资源分配方法，其特征在于，步骤(4)具体包括：

第1步：给定初始化ε的取值区间[a,b]和精度e；

第2步：求解区间黄金分割点a₁＝a+(1-0.618)(b-a)，a₂＝a+0.618(b-a)；

第3步：如果非中断概率p_non(a₁)＜p_non(a₂),跳到第4步，否则跳到第5步；

第4步：如果a₂-a₁＜e,停止迭代，输出最优解x^*＝a₁，输出最大非中断概率否则，令a＝a₁，a₁＝a₂，a₂＝a+0.618(b-a)，跳到第3步；

第5步：如果a₂-a₁＜e,停止迭代，输出最优解x^*＝a₂，输出最大非中断概率否则，令b＝a₂，a₂＝a₁，a₁＝a+(1-0.618)(b-a)，跳到第3步。