[發明專利]一種射頻能量收集中繼網絡中的協作傳輸方法

有效

• 申請號: 201710492643.6
• 申請日: 2017-06-26
• 公開（公告）號: CN107508628B
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 陳健;楊萌琪;楊龍;闊永紅;賀冰濤;衣建甲
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04B7/155
• 分類號: H04B7/155;H04B17/336;H04B17/40
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

本發明屬于無線通信技術領域，公開了一種射頻能量收集中繼網絡中的協作傳輸方法，至少包含一個源節點，一個目的節點和一個中繼節點，其中源節點和目的節點具有穩定的電力供給；中繼節點為能量受限節點；在源節點廣播信號時收集射頻信號能量，轉化為電能存儲在電池中；在信息傳輸過程中，目的節點根據實時信道狀態選擇是否需要中繼節點協作，中繼節點根據自身能量狀態和信道狀態決策是否協作信息傳輸。本發明在提出的三種網絡傳輸模式中進行合理選擇，更加有效地利用中繼節點收集到的能量，使得網絡傳輸的可靠性得到顯著提升；同時給出了最優的中繼節點發射功率，能夠進一步提高網絡傳輸的可靠性。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，尤其涉及一種射頻能量收集中繼網絡中的協作傳輸方法。

背景技術

隨著信息技術的發展，越來越多的服務和業務被加入到無線網絡中，如智能家居，醫療體域網，無線傳感器網絡等，使人們的生活和工作更加便利。然而同時，無線網絡中的節點數目也呈現井噴式增長，在通信過程中消耗的能量也隨之大幅增加。近些年來，能耗與環境問題越來越受到社會各界的格外關注。為了解決這一問題，未來的5G通信系統提出了綠色通信技術，其中能量收集技術作為實現綠色通信的一項關鍵技術受到廣泛專注和研究。能量收集技術通過在通信節點處裝配合適的天線和電子線路使得通信節點能夠收集外界能量，如太陽能、風能和射頻能量等。特別的是，通過設計網絡的傳輸方案，射頻能量收集技術具有更高的可控制性和穩定性，成為研究關注點。

射頻能量收集技術的一項重要應用是射頻能量收集中繼網絡。通過在網絡中部署中繼節點來輔助源節點到目的節點的信息傳輸，能夠有效增加通信的范圍和可靠性。然而在網絡中引入中繼節點一方面增加了網絡的能量消耗，另一方面，在傳統電網供能的方式下中繼節點的部署需要考慮供電的便利性，在電池供能的方式下需要人工對電池進行更換或充電，增加了中繼節點的維護成本。通過應用射頻能量收集技術為中繼節點供能，中繼節點能夠收集源節點發射的射頻信號能量，作為自身工作的能量來源，避免了傳統供能方式帶來弊端，延長了中繼節點的存活壽命。在射頻能量收集中繼網絡中，網絡的傳輸方法不僅直接影響網絡信息的傳輸，而且影響中繼節點能夠收集到的能量，進而又對網絡的傳輸性能產生影響。因此，射頻能量收集中繼網絡中的傳輸方法需要被合理的設計。2015年AliA.Nasir等人在“IEEE Transactions on Communications”(《國際電氣電子工程師協會通信匯刊》)上發表的“Wireless-Powered Relays in Cooperative Communications:Time-Switching Relaying Protocols and Throughput Analysis”(協作通信中的無線供能中繼研究：時間切換中繼協議以及吞吐量分析)分別提出了一種離散時間能量收集中繼協作傳輸方法和一種連續時間能量收集中繼協作傳輸方法，推導了網絡可達吞吐量的解析表達式，并通過仿真驗證了所提出的傳輸方法能夠帶來網絡吞吐量的提升。然而在該項工作中，作者假設網絡中源節點到目的節點的直傳鏈路處于深衰落，在設計傳輸方法時忽略了直傳鏈路的存在。實際上，由于中繼節點能夠收集到的射頻能量通常很少，源節點的發射功率相比中繼節點的發射功率大很多，故而即使源節點到目的節點的信道經歷深衰落，源節點發出的通過直傳鏈路抵達目的節點的信號同樣能夠在信息解碼時發揮重要作用。考慮到該項因素，2016年Ziyi Li等人在“201624th European Signal Processing Conference”(2016年第24屆歐洲信號處理會議)上公開的“Accumulate then Forward:An OpportunisticRelaying Protocol for Wireless-Powered Cooperative Communications”(累積后轉發：一種無線供能協作網絡中的機會式中繼協議)考慮源節點與目的節點間存在直傳鏈路，提出了基于中繼節點能量狀態的協作傳輸方法，其中中繼節點根據自身能量狀態選擇是否協作信息傳輸，在中繼節點不協作信息傳輸情況下，目的節點直接解碼源節點發射的信號，在中繼節點協作信息傳輸情況下，目的節點將源節點發射的信號和中繼節點發射的信號進行最大比合并后再進行解碼。然而，該傳輸方法忽略了信道狀態對傳輸性能的影響：一方面，在源節點到目的節點鏈路較好時，中繼節點無需浪費能量協作信息傳輸，相反由于半雙工中繼協作帶來的譜效損失可能導致系統性能的降級；另一方面，在中繼到目的節點信道衰落較大時，中繼節點即使協作信息傳輸，目的節點仍然無法成功解碼信息，導致中繼節點能量的浪費。