本發(fā)明屬于無(wú)線攜能通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是速率自適應(yīng)功率分離中繼協(xié)議。

背景技術(shù)：

三節(jié)點(diǎn)無(wú)線攜能通信系統(tǒng)由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)、一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，如圖1所示。源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信道增益分別為h與g。h與g為頻率無(wú)選擇性信道增益，且兩者均在一個(gè)傳輸塊周期內(nèi)保持不變，但在不同傳輸塊周期之間相互獨(dú)立。h與g服從瑞麗分布。中繼節(jié)點(diǎn)本身不具有任何能量，需要從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的射頻(rf)信號(hào)中獲得能量，然后利用所獲得的能量來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)信息。在每個(gè)傳輸塊周期內(nèi)，中繼節(jié)點(diǎn)收集的能量會(huì)全部用完，即不存在能量的保存情況。

系統(tǒng)中中繼節(jié)點(diǎn)為無(wú)源節(jié)點(diǎn)，需要從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的射頻信號(hào)中獲得能量與信息，然后利用所獲得的能量轉(zhuǎn)發(fā)信息至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。利用信息與能量接收器及功率分離裝置可實(shí)現(xiàn)信能同傳，如圖4。中繼利用功率分離裝置將接收到的信號(hào)功率分為ρ:1-ρ的兩部分，對(duì)應(yīng)比值為ρ的功率部分送入能量接收器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，對(duì)應(yīng)比值為1-ρ的功率部分送入信息接收器進(jìn)行信息解碼。

中繼節(jié)點(diǎn)的接收端配備有能量與信息兩種接收器，這兩種接收器模型如圖2、圖3所示，能量接收器利用肖特基二極管與無(wú)源低通濾波器構(gòu)成的整流器，可將接收到的射頻帶信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，之后將收集到的電量保存到電池中。信息接收器接收到的射頻帶信號(hào)y(t)最先通過(guò)基帶轉(zhuǎn)換器得到基帶信號(hào)yb(t)，接著由模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣和數(shù)字化，之后再進(jìn)行解碼來(lái)獲取所接收的信息。

通常系統(tǒng)采用的傳輸協(xié)議為功率分離中繼協(xié)議(powersplittingrelaying,psr)，如圖5所示，在功率分離中繼協(xié)議中，整個(gè)傳輸周期被平均分為兩個(gè)時(shí)隙。在第一段t/2內(nèi)，p為中繼接收信號(hào)的功率，ρ為功率分離變量，中繼按ρ:1-ρ的比率將接收信號(hào)功率分成兩部分，分別送入能量接收器與信息接收器進(jìn)行能量收集與信息解碼；在第二段t/2內(nèi)，中繼利用在第一段時(shí)隙內(nèi)收集到的所有能量將信號(hào)發(fā)送至目標(biāo)。在一個(gè)傳輸周期中，若分配較少的信號(hào)功率給能量接收端，則會(huì)導(dǎo)致中繼沒(méi)有足夠的能量將信號(hào)推送至目標(biāo)端；若大部分信號(hào)功率都用于能量的收集，則信息部分的功率較少，系統(tǒng)的中斷概率上升，吞吐量性能也會(huì)相應(yīng)的降低。因此，通過(guò)調(diào)整接收信號(hào)功率分離變量，能夠使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大。但是，仍存在以下不足之處：第一，源到中繼的傳輸時(shí)間與中繼到目標(biāo)的傳輸時(shí)間必須相同。第二，系統(tǒng)可達(dá)到的最大吞吐量較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種速率自適應(yīng)功率分離中繼協(xié)議，以便在三節(jié)點(diǎn)無(wú)線攜能通信系統(tǒng)中能應(yīng)對(duì)源到中繼的傳輸速率與中繼到目標(biāo)的傳輸速率不同的情況，實(shí)現(xiàn)速率自適應(yīng)，減少系統(tǒng)中斷概率，提高系統(tǒng)最大吞吐量。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題：

速率自適應(yīng)功率分離中繼協(xié)議，應(yīng)用于由源、中繼和目標(biāo)三個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的三節(jié)點(diǎn)無(wú)線攜能通信系統(tǒng)，所述中繼的接收端配備有能量接收器與信息接收器，分別從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的射頻信號(hào)中獲得能量與信息，整個(gè)傳輸周期t被分為βt、(1-β)t兩個(gè)時(shí)隙，其中β為時(shí)間變量，0<β<1；在第一時(shí)隙βt內(nèi)，中繼按ρ:1-ρ的比率將接收信號(hào)功率p分成ρp和(1-ρ)p兩部分，功率ρp送入能量接收器進(jìn)行能量收集，功率(1-ρ)p送入信息接收器進(jìn)行信息解碼，其中ρ為功率分離變量，0<ρ<1；在第二時(shí)隙(1-β)t內(nèi)，中繼利用在第一時(shí)隙βt內(nèi)收集到的所有能量將信號(hào)發(fā)送至目標(biāo)；

源到中繼的傳輸速率和中繼到目標(biāo)的傳輸速率根據(jù)傳輸時(shí)間不同進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，滿(mǎn)足關(guān)系式：βtvsr＝(1-β)tvrd，其中vsr為源到中繼的傳輸速率，vrd為中繼到目標(biāo)的傳輸速率；

中繼接收信號(hào)的信噪比為：

目標(biāo)接收信號(hào)的信噪比為：

中繼可接收的能量eh＝ηρps|h|²βt，其中η為能量轉(zhuǎn)換效率；

根據(jù)香農(nóng)定理，得：

中繼的接收信號(hào)信噪比判決門(mén)限值snrr為

目標(biāo)的接收信號(hào)信噪比判決門(mén)限值snrd為：

當(dāng)snrr^rec>snrr且snrr^rec>snrd時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定為連通，否則為中斷；

根據(jù)源到中繼和中繼到目標(biāo)兩段鏈路不同的傳輸時(shí)間和不同的傳輸速率，通過(guò)優(yōu)化時(shí)間變量β與功率分離變量ρ，改變中繼可接收的能量eh及改變snrr和snrd，使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大值；

上述的變量定義：ps為源傳輸功率，|h|²為源到中繼的信道功率增益，為中繼噪聲功率，pr為中繼轉(zhuǎn)發(fā)功率，|g|²為中繼到目標(biāo)的信道功率增益，為目標(biāo)噪聲功率，v為基準(zhǔn)速率，v/2＝βvsr＝(1-β)vrd。

所述中繼轉(zhuǎn)發(fā)功率pr取決于中繼可接收的能量eh以及中繼到目標(biāo)的傳輸時(shí)間，計(jì)算公式為：

所述系統(tǒng)吞吐量τ計(jì)算公式為：其中系統(tǒng)中斷概率pout為：

本發(fā)明有優(yōu)點(diǎn)：

1)應(yīng)用范圍更加廣泛，在三節(jié)點(diǎn)無(wú)線攜能通信系統(tǒng)中，無(wú)論傳輸速率是否恒定都適用本發(fā)明協(xié)議；

2)能通過(guò)優(yōu)化傳輸時(shí)間變量與功率分離變量來(lái)最大化系統(tǒng)吞吐量，可優(yōu)化的維度更高；

3)提高了系統(tǒng)的最大吞吐量。

附圖說(shuō)明

圖1是三節(jié)點(diǎn)無(wú)線攜能通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是圖1中中繼的功率分離接收模型框圖；

圖3是圖2中能量接收器的模型框圖；

圖4是圖2中信息接收器的模型框圖；

圖5是現(xiàn)有技術(shù)的功率分離中繼協(xié)議框圖；

圖6是本發(fā)明速率自適應(yīng)功率分離中繼協(xié)議框圖；

圖7是本發(fā)明協(xié)議系統(tǒng)吞吐量分析流程圖；

圖8是本發(fā)明協(xié)議下的系統(tǒng)吞吐量仿真結(jié)果圖；

圖9是本發(fā)明協(xié)議rapsr和現(xiàn)有技術(shù)功率分離中繼協(xié)議psr的系統(tǒng)吞吐量比較圖，其中β＝0.56，ρ為變量。

圖10是本發(fā)明協(xié)議rapsr和現(xiàn)有技術(shù)功率分離中繼協(xié)議psr的系統(tǒng)最大吞吐量比較圖，其中基準(zhǔn)速率v為變量。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍的限制。

如圖6所示，本發(fā)明的協(xié)議為速率自適應(yīng)功率分離中繼協(xié)議(rateadaptivepowersplittingrelaying,rapsr),設(shè)β為時(shí)間變量，整個(gè)傳輸周期t被分為βt、(1-β)t兩個(gè)時(shí)隙。在βt時(shí)隙內(nèi)，p為中繼接收信號(hào)的功率，ρ為功率分離變量，中繼按ρ:1-ρ的比率將接收信號(hào)功率分成兩部分，分別送入能量接收器與信息接收器進(jìn)行能量收集與信息解碼；在第二段(1-β)t時(shí)隙內(nèi)，中繼利用在βt時(shí)隙內(nèi)收集到的所有能量將信號(hào)發(fā)送至目標(biāo)。

在本發(fā)明協(xié)議rapsr中，由于兩段鏈路的傳輸時(shí)間不一樣，為保證中繼將信息全部轉(zhuǎn)發(fā)，所以?xún)啥捂溌返膫鬏斔俾室膊灰粯?，其關(guān)系為：βtvsr＝(1-β)tvrd，vsr為源到中繼傳輸速率，vrd為中繼到目標(biāo)傳輸速率。

與psr相比，由于傳輸時(shí)間不同，中繼收集到的能量多少不同，由于速率變化，兩段鏈路信噪比的判決門(mén)限發(fā)生改變，因此，通過(guò)優(yōu)化時(shí)間變量與接收信號(hào)功率分離變量，能夠使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到新的最大值。

本發(fā)明提出的rapsr協(xié)議與psr協(xié)議不同：1、在rapsr協(xié)議中，前后兩段鏈路傳輸時(shí)間可以不同，而psr協(xié)議中，前后兩段鏈路傳輸時(shí)間必須相同。當(dāng)β＝0.5時(shí)rapsr協(xié)議可以轉(zhuǎn)化為psr協(xié)議；2、在rapsr協(xié)議中，由于前后兩段鏈路傳輸時(shí)間不同，使得前后兩段鏈路傳輸速率也會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)整；滿(mǎn)足關(guān)系βtvsr＝(1-β)tvrd。3、該協(xié)議下系統(tǒng)吞吐量最大值優(yōu)于功率分離中繼協(xié)議。

以下為rapsr協(xié)議下系統(tǒng)吞吐量的分析過(guò)程：

(1)rapsr協(xié)議下中繼節(jié)點(diǎn)能量與信息接收

定義源傳輸功率為ps，源到中繼的信道功率增益為|h|²，中繼噪聲功率為則中繼接收信號(hào)的信噪比為：

利用射頻能量收集公式(收集的能量＝能量轉(zhuǎn)換效率*接收信號(hào)功率*時(shí)間)，則中繼可接收的能量eh為：

eh＝ηρps|h|²βt(2)

η為能量轉(zhuǎn)換效率。

(2)rapsr協(xié)議下目標(biāo)節(jié)點(diǎn)信息接收

定義中繼轉(zhuǎn)發(fā)功率為pr，中繼到目標(biāo)的信道功率增益為|g|²，目標(biāo)噪聲功率為則目標(biāo)接收信號(hào)的信噪比為：

其中pr取決于中繼收集到的能量以及中繼到目標(biāo)的傳輸時(shí)間，其表達(dá)式為：

(3)rapsr協(xié)議下系統(tǒng)吞吐量

定義源到中繼的傳輸速率為vsr，中繼到目標(biāo)的傳輸速率為vrd，為保證中繼將信息全部轉(zhuǎn)發(fā)，有βtvsr＝(1-β)tvrd。定義基準(zhǔn)速率v，其中v/2＝βvsr＝(1-β)vrd，得到源傳輸速率與中繼轉(zhuǎn)發(fā)速率的代換值為：

當(dāng)給定一個(gè)傳輸速率h比特/秒/赫茲時(shí)，根據(jù)香農(nóng)定理可得到接收信號(hào)是否正確的信噪比判決門(mén)限值snr＝2^h-1。所以中繼與目標(biāo)的接收信號(hào)信噪比判決門(mén)限值snrr與snrd分別為：

當(dāng)中繼與目標(biāo)接收信號(hào)的信噪比均大于兩者的信噪比判決門(mén)限值時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定為連通，否則為中斷。則系統(tǒng)中斷概率pout為：

根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量與中斷概率，可得到系統(tǒng)吞吐量τ為：

本實(shí)施例仿真系統(tǒng)參數(shù)取值如下：ps＝1joules/sec，能量轉(zhuǎn)換效率η＝0.8，基準(zhǔn)速率v＝3bits/sec/hz，中繼及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)噪聲方差|h|²與|g|²的均值都為1。

圖8給出了當(dāng)傳輸速率v＝3bits/sec/hz時(shí)，rapsr協(xié)議下系統(tǒng)吞吐量與時(shí)間變量β、功率分離變量ρ的關(guān)系。從圖中可以看到，存在一組β與ρ值，使得系統(tǒng)吞吐量最大。即在rapsr協(xié)議下可通過(guò)優(yōu)化時(shí)間變量和功率分離變量來(lái)最大化系統(tǒng)吞吐量，而psr協(xié)議僅通過(guò)功率分離變量來(lái)最大化系統(tǒng)吞吐量。

圖9給出了當(dāng)傳輸速率v＝3bits/sec/hz時(shí)，rapsr和psr的系統(tǒng)吞吐量比較圖，其中rapsr協(xié)議的時(shí)間變量β＝0.56。從圖中可以看到，rapsr協(xié)議下的系統(tǒng)最大吞吐量?jī)?yōu)于psr協(xié)議下的系統(tǒng)最大吞吐量。

圖10給出了rapsr和psr在不同基準(zhǔn)速率下的系統(tǒng)最大吞吐量比較圖，其中基準(zhǔn)速率v為變量。從圖中可以看到，在各個(gè)傳輸速率值下，rapsr協(xié)議下的系統(tǒng)最大吞吐量均優(yōu)于psr協(xié)議下的系統(tǒng)最大吞吐量。