全双工非线性能量收集中继系统的鲁棒信息传输方法

1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及到多天线全双工中继系统中非线性能量收集辅助的鲁棒信息传输。


背景技术：

2.近年来，绿色通信已成为未来无线网络的一项有前途的技术。在面向绿色通信的系统中，基于能量收集的无线能量传输技术成为了一种很具有吸引力的提高能量受限无线网络工作可持续性的解决方案。无线能量中继的早期研究中采用时隙转换和功率分割技术设计中继系统，并且在这些系统中采用的是半双工传输模式。近年来，带内全双工传输模式是针对无线通信系统缺乏无线频谱的问题提出的一种新的传输方法，与传统的半双工传输模式相比，全双工传输可以使频谱效率提高接近一倍。虽然全双工传输技术可以使频谱效率得到有效的提升，但在中继系统中，中继设备的发射天线和接收天线的距离太近，导致两者同时同频工作时会相互产生干扰，这将造成系统性能的衰减。针对这一技术问题，将全双工中继的两端天线造成的自干扰信号视为一种能量，即接收端可以将发射端对其产生的干扰重新进行回收利用，由此原理产生的自能量回收机制，从而进一步增强系统的续航能力。
3.对于能量收集电路，早期的研究更倾向于其输入与输出的关系为线性关系，即能量源发射端的发送功率在保持增大时，能量收集器能够采集到的能量也总是保持一次函数上涨趋势。然而在实际的能量收集电路中，其输入输出关系很难一直保持该线性关系，即在发射端发送功率保持增大的情况下，中继能量收集到的功率在达到某一阈值时趋于饱和，不会继续大幅度增长，是一种非线性的关系。
4.同时，对于未来的无线通信网络，最大的特点之一是海量的接入场景，在万物互联的时代中，无线通信环境将变得极为复杂，即不明确的信道状态信息，所以需要研究信道误差模型。
5.在非线性能量收集的全双工协作中继系统技术领域，当前需迫切解决的一个技术问题是提供一种合理的信号传输方法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种传输方法简单、易于实现、系统吞吐量高的全双工非线性能量收集中继系统的鲁棒信息传输方法。
7.解决上述技术问题所采用的技术方案是由下述步骤组成：
8.(1)构建传输信号模型
9.传输信号模型由1个源节点s与j个全双工中继节点rj、1个目的节点d依次串联构成，j∈{1,2,...,j}，j为有限的正整数，在源节点s上设置有m根天线，目的节点d上设置有n根天线，m和n为有限的正整数，每个全双工中继节点rj上设置有1根发送天线和1根接收天线，构建成传输信号模型。
10.(2)构建信道误差模型
11.按式(1)确定源节点s到全双工中继节点信道的信道系数
[0012][0013]
其中，ε1是第一信道误差系数，ε1∈(0,1)，是根据导频辅助方法在每一时隙前估计得出的源节点s到全双工中继节点信道系数、取值为[0.6,1]，ωm为与信道系数相同分布的误差系数、取值为[0.6,1]；按式(2)确定全双工中继节点rj到目的节点信道的信道系数
[0014][0015]
其中，ε2是第二信道的误差系数，ε2∈(0,1)，是根据导频辅助方法在每一时隙前估计得出的全双工中继节点rj到目的节点信道系数、取值为[0.6,1]，v
l
为与信道系数相同分布的误差系数、取值为[0.6,1]。
[0016]
(3)确定非线性能量收集功率
[0017]
按式(3)确定非线性能量收集功率
[0018][0019]
其中，ρ是ps协议的功率分割比，ρ∈(0,1)，η是系统的能量转换效率，η∈(0,1)，|h
rr
|2是中继收发天线之间的自干扰信道系数，|h
rr
|2的取值为[0.6,1]，p
th
是非线性能量收集的上限阈值。
[0020]
(4)确定最小成功传输速率
[0021]
按式(4)确定最小成功传输速率
[0022][0023][0024][0025]
其中，是源节点s到全双工中继节点信道的传输速率，是全双工中继节点到目的节点信道的传输速率，r
th
是系统可运行的门限速率、取值为0.5bit/s/hz，n0是噪声功率、取值为-25～-17dbm，是均值为0、方差为n0的加性高斯白噪声。
[0026]
(5)确定最大的链路速率
[0027]
按式(5)确定最大的链路速率r
srd
：
[0028][0029]
其中，k
th
为速率最大的链路。
[0030]
(6)确定系统中断概率和吞吐量
[0031]
按式(6)确定系统的中断概率p
op
：
[0032]
p
op
＝pr(r
srd
＜r
th
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0033]
按式(7)确定系统吞吐量t：
[0034]
t＝(1-p
op
)r
th
ꢀꢀꢀ
(7)
[0035]
完成全双工非线性能量收集中继系统的鲁棒信息传输方法。
[0036]
在本发明的(2)确定信道误差模型中，所述的ε1以及ε2是两阶段信道误差对应的误差系数，其中ε1取值最佳为0.5，ε2取值最佳为0.5。
[0037]
在本发明(3)步骤的式(3)中，所述的ρ是ps协议的功率分割因子，其中ρ取值最佳为0.5。
[0038]
在本发明的(3)步骤的式(3)中，η是能量转换效率，其中η最佳为0.5。
[0039]
在(本发明的(4)步骤的式(4)中，所述的ρ是ps协议的功率分割因子，其中ρ取值最佳为0.5。
[0040]
由于本发明采用非线性能量收集的全双工协作中继系统，建立了合理的传输信号模型，提出了一种信息传输方法，采用有限的频谱资源，提高了系统吞吐量，与现有技术相比，在全双工中继节点rj的数量j为4、每一个传输周期的信噪比为5db～20db时，系统吞吐量高于现有信号传输方法，达到已有方法的2倍，随着中继数量的增加，系统吞吐量更高。本发明具有传输方法简单、易于实现、系统吞吐量高等优点，适用于无线协作通信领域。
附图说明
[0041]
图1是本发明实施例1的工艺流程图。
[0042]
图2是不同全双工能量收集中继数量下传输信噪比对系统吞吐量t影响的曲线。
[0043]
图3是选择不同链路时传输信噪比对系统吞吐量影响的曲线。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
[0045]
实施例1
[0046]
在图1中，本实施例的全双工非线性能量收集中继系统的鲁棒信息传输方法由下述步骤组成：
[0047]
(1)构建传输信号模型
[0048]
传输信号模型由1个源节点s与j个全双工中继节点rj、1个目的节点d依次串联构成，j∈{1,2,...,j}，j为有限的正整数，在源节点s上设置有m根天线，目的节点d上设置有n根天线，m和n为有限的正整数，每个全双工中继节点rj上设置有1根发送天线和1根接收天线，构建成传输信号模型。
[0049]
(2)构建信道误差模型
[0050]
按式(1)确定源节点s到全双工中继节点信道的信道系数
[0051]
[0052]
其中，ε1是第一信道误差系数，ε1∈(0,1)，本实施例的ε1取值为0.5，是根据过时信道状态信息得出的源节点s到全双工中继节点信道系数、取值为[0.6,1]，本实施例的取值0.8，ωm为与信道系数相同分布的误差系数、取值为[0.6,1]，本实施例的ωm取值为0.8；按式(2)确定全双工中继节点rj到目的节点信道的信道系数
[0053][0054]
其中，ε2是第二信道的误差系数，ε2∈(0,1)，本实施例的ε2取值为0.5，是根据过时信道状态信息得出的全双工中继节点rj到目的节点信道系数、取值为[0.6,1]，本实施例的取值为0.8，v
l
为与信道系数相同分布的误差系数、取值为[0.6,1]，本实施例的v
l
取值为0.8。
[0055]
(3)确定非线性能量收集功率
[0056]
按式(3)确定非线性能量收集功率
[0057][0058]
其中，ρ是ps协议的功率分割比，ρ∈(0,1)，本实施例的ρ取值为0.5，η是系统的能量转换效率，η∈(0,1)，本实施例的η取值为0.5，|h
rr
|2是中继收发天线之间的自干扰信道系数，|h
rr
|2的取值为[0.6,1]，本实施例的|h
rr
|2取值为0.8，p
th
是非线性能量收集的上限阈值。
[0059]
(4)确定最小成功传输速率
[0060]
按式(4)确定最小成功传输速率
[0061][0062][0063][0064]
其中，是源节点s到全双工中继节点信道的传输速率，是全双工中继节点到目的节点信道的传输速率，r
th
是系统可运行的门限速率、取值为0.5bit/s/hz，n0是噪声功率、取值为-25～-17dbm，本实施例的n0取值为-20dbm，是均值为0、方差为n0的加性高斯白噪声。
[0065]
(5)确定最大的链路速率
[0066]
按式(5)确定最大的链路速率r
srd
：
[0067]
[0068]
其中，k
th
为速率最大的链路；
[0069]
(6)确定系统中断概率和吞吐量
[0070]
按式(6)确定系统的中断概率p
op
：
[0071]
p
op
＝pr(r
srd
＜r
th
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0072]
按式(7)确定系统吞吐量t：
[0073]
t＝(1-p
op
)r
th
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0074]
由于本实施例采用非线性能量收集的全双工协作中继系统，建立了合理的传输信号模型，提出了一种信息传输方法，采用有限的频谱资源，提高了系统吞吐量。
[0075]
完成全双工非线性能量收集中继系统的鲁棒信息传输方法。
[0076]
实施例2
[0077]
本实施例的全双工非线性能量收集中继系统的鲁棒信息传输方法由下述步骤组成：
[0078]
(1)构建传输信号模型
[0079]
该步骤与实施例1相同。
[0080]
(2)构建信道误差模型
[0081]
按式(1)确定源节点s到全双工中继节点信道的信道系数
[0082][0083]
其中，ε1是第一信道误差系数，ε1∈(0,1)，本实施例的ε1取值为0.1，是根据过时信道状态信息得出的源节点s到全双工中继节点信道系数、取值为[0.6,1]，本实施例的取值0.6，ωm为与信道系数相同分布的误差系数、取值为[0.6,1]，本实施例的ωm取值为0.6；按式(2)确定全双工中继节点rj到目的节点信道的信道系数
[0084][0085]
其中，ε2是第二信道的误差系数，ε2∈(0,1)，本实施例的ε2取值为0.1，是根据过时信道状态信息得出的全双工中继节点rj到目的节点信道系数、取值为[0.6,1]，本实施例的取值为0.6，v
l
为与信道系数相同分布的误差系数、取值为[0.6,1]，本实施例的v
l
取值为0.6。
[0086]
(3)确定非线性能量收集功率
[0087]
按式(3)确定非线性能量收集功率
[0088][0089]
其中，ρ是ps协议的功率分割比，ρ∈(0,1)，本实施例的ρ取值为0.1，η是系统的能量转换效率，η∈(0,1)，本实施例的η取值为0.1，|h
rr
|2是中继收发天线之间的自干扰信道系数，|h
rr
|2的取值为[0.6,1]，本实施例的|h
rr
|2取值为0.6，p
th
是非线性能量收集的上限阈值。
[0090]
(4)确定最小成功传输速率
[0091]
按式(4)确定最小成功传输速率
[0092][0093][0094][0095]
其中，是源节点s到全双工中继节点信道的传输速率，是全双工中继节点到目的节点信道的传输速率，r
th
是系统可运行的门限速率、取值为0.5bit/s/hz，n0是噪声功率、取值为-25～-17dbm，本实施例的n0取值为-25dbm，是均值为0、方差为n0的加性高斯白噪声。
[0096]
其他步骤与实施例1相同。全双工非线性能量收集中继系统的鲁棒信息传输方法。
[0097]
实施例3
[0098]
本实施例的全双工非线性能量收集中继系统的鲁棒信息传输方法由下述步骤组成：
[0099]
(1)构建传输信号模型
[0100]
该步骤与实施例1相同。
[0101]
(2)构建信道误差模型
[0102]
按式(1)确定源节点s到全双工中继节点信道的信道系数
[0103][0104]
其中，ε1是第一信道误差系数，ε1∈(0,1)，本实施例的ε1取值为0.9，是根据过时信道状态信息得出的源节点s到全双工中继节点信道系数、取值为[0.6,1]，本实施例的取值1，ωm为与信道系数相同分布的误差系数、取值为[0.6,1]，本实施例的ωm取值为1；按式(2)确定全双工中继节点rj到目的节点信道的信道系数
[0105][0106]
其中，ε2是第二信道的误差系数，ε2∈(0,1)，本实施例的ε2取值为0.9，是根据过时信道状态信息得出的全双工中继节点rj到目的节点信道系数、取值为[0.6,1]，本实施例的取值为1，v
l
为与信道系数相同分布的误差系数、取值为[0.6,1]，本实施例的v
l
取值为1。
[0107]
(3)确定非线性能量收集功率
[0108]
按式(3)确定非线性能量收集功率
[0109][0110]
其中，ρ是ps协议的功率分割比，ρ∈(0,1)，本实施例的ρ取值为0.9，η是系统的能量转换效率，η∈(0,1)，本实施例的η取值为0.9，|h
rr
|2是中继收发天线之间的自干扰信道系数，|h
rr
|2的取值为[0.6,1]，本实施例的|h
rr
|2取值为1，p
th
是非线性能量收集的上限阈值。
[0111]
(4)确定最小成功传输速率
[0112]
按式(4)确定最小成功传输速率
[0113][0114][0115][0116]
其中，是源节点s到全双工中继节点信道的传输速率，是全双工中继节点到目的节点信道的传输速率，r
th
是系统可运行的门限速率、取值为0.5bit/s/hz，n0是噪声功率、取值为-25～-17dbm，本实施例的n0取值为-17dbm，是均值为0、方差为n0的加性高斯白噪声。
[0117]
其他步骤与实施例1相同。完成全双工非线性能量收集中继系统的鲁棒信息传输方法。
[0118]
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1的全双工非线性能量收集中继系统的鲁棒信息传输方法(以下简称实施例1方法)与现有的半双工信息传输方法“outage probabilityand throughput of multirelay swipt-wpcn networks with nonlineareh model and imperfect csi,”ieee systems journal,vol.14,no.1,pp.1206
–
1217,mar.2020.”，(以下简称对比实验方法)进行了对比仿真模拟实验，实验结果见图2和图3。图2是不同全双工能量收集中继数量下传输信噪比对系统吞吐量t的影响。由图2可见，实施例1的方法与对比实验方法相比，在全双工中继节点数j为4、每一个传输周期的信噪比为3db～20db时，系统吞吐量提升了0～0.25bits/s/hz。图3是选择不同链路时传输信噪比对系统吞吐量的影响，由图3可见，选择最优链路时，可以在信噪比为10db时达到系统饱和吞吐量，并且相较对比实验方案吞吐量提高了0.5bits/s/hz。