[发明专利]一种基于全双工的无线供电中继网络系统及优化方法

说明书

本发明公开了一种基于全双工的无线供电中继网络系统及优化方法，本发明在无线供电中继网络中，该网络包含多个配有稳定能量源的用户和多个自身没有能量的中继，中继需要从混合接入点HAP中采集能量以完成用户信息的转发。为解决中继采集能量有限的问题，将配有两根天线的全双工混合接入点。HAP在向中继广播能量信号的同时接收来自中继转发的用户信息，有效增加了中继采集能量的时间。由于HAP和用户同时发射能量和信息信号，在中继和HAP处会产生干扰并由此考虑了非完美干扰消除场景。为最大化系统吞吐量，定义了关于下行能量传输和上行信息传输的时间分配的吞吐量优化问题，并通过设计的有效算法得到了最优解。

技术领域

本发明属于无线能量传输技术领域，具体涉及一种基于全双工的无线供电中继网络系统及优化方法。

背景技术

在现有关于无线供电通信网络的研究中，学者们关注更多的是混合接入点HAP与用户之间的直接通信。然而，受经典的协作通信的启发，中继也能用以协助能量和信息的传输，此类网络称为无线供电中继网络。目前关于无线供电中继网络的研究已经取得了一定的进展。在无线供电中继网络系统中，有文献研究过特定的场景，即系统中只含有一个用户和一个中继或者含有两个用户且其中一个用户同时也充当中继；也有文献考虑了一个更普适的场景，即系统中同时含有多个用户和多个中继。在该系统中，每个用户配有一个专用中继以实现上行链路的信息传输，并研究了最优的时间分配方案以最大化系统吞吐量。也有文献中，HAP只含有一根天线，故其工作在半双工(Half Duplex,HD)模式下。因而，用户只能在一个特定的时隙内采集能量，导致用户采集的能量受限，影响了系统吞吐量。

目前文献均未考虑全双工的系统，为有效地提高中继采集的能量，本发明利用全双工(Full Duplex,FD)技术改善系统性能，研究了基于FD-HAP的无线供电中继网络，系统中包含多个用户和多个中继。

发明内容

本发明针对已有文献采用半双工混合接入点的无线供电通信网络中存在用户采集能量受限的问题，提出了基于全双工混合接入点的无线供电中继网络及其吞吐量优化方法，其中自身没有能量的中继利用解码转发方案将用户信息转发至HAP。FD-HAP采用两根天线，一根天线向所有中继广播能量信号，而另一根天线同时接收来自中继转发的信息，这有效地提升了中继可采集的总能量。此外，定义了吞吐量优化问题，并利用设计的算法得到了最优的时间分配方案。仿真实验验证了采用FD-HAP的无线供电通信网络在最优的时间分配方案下，系统吞吐量能够得到明显的提升。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于全双工的无线供电中继网络系统包含一个混合接入点HAP，K个用户和K个中继。用户和中继分别用符号U_i和R_i，i＝1,…,K表示。HAP含有两根天线，用户和中继均含有一根天线。HAP和用户都配备固定的能量供给，不携带能量源的中继依赖于从HAP发送的射频信号中采集能量。假设HAP和用户之间没有直接链路，用户到HAP的信息传递需要中继的协助(许多物联网终端就是这种工作模式)。如果中继数量大于用户的，可能会造成部分中继无法被调用，造成资源浪费；如果中继数量小于用户的，部分中继可能需要服务多个用户，影响系统性能。因而，假设中继R_i与用户U_i一一对应，也就说R_i只能用以辅助用户U_i的信息传递，中继采用解码转发(Decode-and-Forward,DF)方案。假设HAP与中继、中继与用户之间的信道为平坦衰落信道且互易，所有信道在每个传输时间块内保持稳定，在不同时间块内信道状态信息(Channel StateInformation,CSI)可能发生改变。HAP与中继R_i、中继R_i与用户U_i之间的信道分别定义为h_i和g_i。另外，假设HAP和中继完美已知所有的CSI。

本发明还包括一种基于全双工的无线供电中继网络系统的优化方法，其包括如下实施步骤：