[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

技術領域

本發明公開了一種由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，屬于無線通信、信號處理技術領域。

背景技術

協作通信技術使得無線網絡中單天線的分布式節點協同工作并形成虛擬MIMO (MultipleInputMultipleOutput，多輸入多輸出)系統，不僅克服了受無線節點體積和成本 等條件限制所造成的不宜安裝多根天線的困難，而且能夠形成空間分集有效抵抗多徑衰落和 提高無線通信系統傳輸性能。

然而，協作通信系統中，節點往往具有能量有限性。移動節點工作通常依賴于電池供電， 一旦電池耗盡，網絡拓撲和性能都會受到很大影響。因此，從周圍環境中收集能量成為了延 長能量受限無線網絡生命周期的有效方法之一。由于RF(radiofrequency，射頻)信號可以 同時攜帶能量和信息，以RF信號作為載體在收發兩端之間同時進行能量和信息的傳輸的無 線EH(EnergyHarvest，能量收集)技術逐漸在能量受限的無線通信網絡中受到重視。在協 作通信網絡中，能量受限的中繼節點可以通過能量收集技術實現能量的積累，同時充分利用 所收集的能量進行高效可靠通信，具有重要的實際意義和技術挑戰性。

在以往的模型中，源節點和目的節點之間大多僅設置單個無線能量收集中繼節點，該節 點通過時間切換或功率分割的方式從接收信號中獲取能量并利用所獲取的能量進行數據轉 發。由于數據轉發前必須先積累足夠多的用以將所接收到的數據發送出去的能量，信息傳輸 的過程必然出現中斷，從而導致系統的通信效率降低。為了提高無線中繼系統的吞吐量，有 研究人員提出了基于時間切換的全雙工無線EH和中繼系統。但是，全雙工的工作模式易在 中繼節點上產生自干擾，而且同時發送和接收的系統并不容易實現。

發明內容

本發明提供了一種全新的雙中繼節點交替能量收集和信息中繼的協作通信系統。相對于 已有的單中繼節點進行能量收集和信息中繼的方法，該方法不需要為了收集能量而中斷信息 傳輸過程，從而提高系統的吞吐量；并且不同于全雙工無線充電的中繼系統，系統克服了全 雙工操作方式在中繼節點上容易導致自干擾，以及同時發送和接收的實施困難，節點僅在半 雙工模式下，可以維持系統較高的通信效率。

本發明的技術解決方案如下：

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。

本發明還提出了一種基于上述協作通信系統的通信方法，該方法的具體步驟如下：

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；