[發明專利]一種雙中繼節點交替能量收集和信息中繼的協作通信系統及其通信方法

在審

• 申請號: 201510944805.6
• 申請日: 2015-12-16
• 公開（公告）號: CN105554832A
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發明（設計）人: 鄭麗娜;翟超;劉琚
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H04W36/22
• 分類號: H04W36/22;H04W40/22;H04W52/44;H04W52/46;H04W72/12;H04B7/15;H04L5/16;H04L5/18
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李健康

1.一種采用兩個中繼節點交替進行無線能量收集和數據轉發的協作通信系統，該系統 由一個源節點-目的節點對和兩個中繼節點組成，其中，源節點和目的節點具有穩定的能量 源，中繼節點能量受限，需要從周圍環境所采集的射頻信號中獲取能量，以將從源節點接收 到的信息轉發給目的節點，源節點與目的節點之間不存在直達鏈路，兩者之間的通信必須通 過中繼節點的轉接，每個節點安裝一個全向天線并且采用半雙工方式工作；源節點以數據包 為單位進行數據的發送，每個數據包的轉發對應兩跳，即：源節點至中繼節點的第一跳和中 繼節點至目的節點的第二跳，相應的，每一跳對應一個固定長度的時間塊；兩個中繼節點具 備能量收集EH和信息傳輸IT的功能，并周期性的互相切換IT和EH的角色，當信息從源節 點到目的節點通過充當數據傳輸角色的IT中繼轉發的時候，另外一個中繼節點充當能量收 集角色的EH中繼，從所接收的無線信號中收集能量并存儲在電池中備用，對應于每個數據 包轉發的兩跳過程，EH中繼節點收集第一跳中由源節點廣播的信號中的能量以及第二跳中 由正在轉發數據的IT中繼所廣播的信號的能量，保證了兩跳無線信號能量的有效充分采集 和利用，當固定數量的數據包傳輸完畢并且IT中繼節點中之前所收集的能量被用完的時候， 兩個中繼節點互相交換角色，分別在下一輪周期中進行能量收集和數據傳輸；雖然兩個中繼 節點都工作在半雙工模式，所有由源發往目的節點的數據包傳輸過程并沒有被打斷，兩個中 繼節點的交替進一步保證了系統的通信效率和吞吐量。

2.一種基于權利要求1所述協作通信系統的通信方法，其步驟在于，源節點以恒定數據 速率連續發送數據包，每個數據包對應一個時間塊且長度固定，兩個中繼節點以固定周期為 單位進行角色切換，以兩個節點角色的不同，通信過程分為兩種情況：情況1和情況2依次 按照固定周期交替發生；

情況1：中繼節點R₁負責接收并轉發源節點向目的節點發送的數據，充當IT中繼節點 的角色；中繼節點R₂負責從接收到的信號中收集能量，充當EH中繼節點的角色；

源節點以數據包為單位向目的節點連續發送固定數量的數據包，每個數據包的發送過程 包含兩跳階段，第一跳階段中，源節點廣播信號，R₁接收到廣播信號，按照放大轉發AF策 略放大所接收信號并使用電池中所存儲的能量以功率轉發給目的節點；R₂接收到廣播信 號，并根據能量收集接收器機制收集能量并存儲在電池中；第二跳階段中，R₁廣播信號， 目的節點接收到廣播信號，譯碼完成源到目的節點的數據傳輸，R₂接收到R₁的廣播信號， 繼續收集能量并存儲在電池中，固定數量的數據包發送完畢并且R₁中的能量全部用盡，兩 個中繼節點切換角色；

情況2：中繼節點R₂負責接收并轉發源節點向目的節點發送的數據，充當IT中繼節點 的角色；中繼節點R₁負責從接收到的信號中收集能量，充當EH中繼節點的角色；

源節點以數據包為單位向目的節點連續發送固定數量的數據包，每個數據包的發送過程 包含兩跳階段，第一跳階段中，源節點廣播信號，R₂接收到廣播信號，按照AF策略放大所 接收信號并使用電池中所存儲的能量以功率轉發給目的節點；R₁接收到廣播信號，并根 據能量收集接收器機制收集能量并存儲在電池中；第二跳階段中，R₂廣播信號，目的節點 接收到廣播信號，譯碼完成源到目的節點的數據傳輸；R₁接收到R₂的廣播信號，繼續收集 能量并存儲在電池中，固定數量的數據包發送完畢并且R₂中的能量全部用盡，兩個中繼節 點切換角色。

3.根據權利要求2所述的通信方法，其特征在于，為了支持接下來作為IT中繼節點連續 L個數據包的傳輸，需要在作為EH中繼節點時進行足夠多時間塊的能量收集，當傳輸的數 據包數量L足夠大時，EH時間塊的數量L相應的也足夠大，信道的統計特性將顯現出來，假 定信道系數的均方值為常數，小尺度信道衰落的影響可以忽略，僅考慮大尺度路徑損耗的影 響，計算EH中繼節點所收集的能量。

4.根據權利要求2所述的通信方法，其特征在于，不同于常見的中繼節點采用固定發射 功率的情況，在兩種情況下，R₁和R₂各自作為IT中繼節點的發射功率分別為和，和 其各自的取值與系統參數設置有關。