本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，具體涉及一種雙跳中繼系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)信息和能量的聯(lián)合傳輸方法。
背景技術(shù)：
：在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中，傳感節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間往往受到電池電量的限制。通過(guò)能量采集技術(shù)使傳感器節(jié)點(diǎn)從周?chē)h(huán)境中獲得能量可以有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。隨著無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)的發(fā)展，除了太陽(yáng)能、風(fēng)能等常規(guī)可再生能源外，射頻信號(hào)也成為一種新的可用能源。在使用無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)的通信系統(tǒng)中，信息和能量可以同時(shí)被傳輸。如何使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)獲得能量傳輸效率和信息傳輸速率的最佳折中是目前研究的熱點(diǎn)。受實(shí)際電路的限制，接收機(jī)難以從同一個(gè)射頻信號(hào)中同時(shí)獲得信息和能量。因此，接收機(jī)可以采用“時(shí)分”的方式采集能量和接收信息。這種接收機(jī)同時(shí)包含能量采集電路和信息接收機(jī)，接收機(jī)在兩種電路中進(jìn)行周期性切換。在衰落信道中，接收機(jī)可根據(jù)信道狀態(tài)信息決定使用能量采集電路還是信息解碼電路。在使用中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，中繼節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的射頻信號(hào)中獲取能量和接收信息，然后再利用采集的能量轉(zhuǎn)發(fā)信息。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)的能量不足以轉(zhuǎn)發(fā)信息時(shí)，中繼工作在能量采集模式，當(dāng)采集到足夠能量時(shí)，再進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)?，F(xiàn)有工作已經(jīng)研究了采用放大前傳的中繼節(jié)點(diǎn)如何進(jìn)行能量采集和信息轉(zhuǎn)發(fā)。在多用戶(hù)系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)用戶(hù)在接收信號(hào)時(shí)，其他用戶(hù)可以機(jī)會(huì)性地從射頻信號(hào)中采集能量。目前的研究工作均未考慮在衰落信道中，源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)如何根據(jù)已知的信道狀態(tài)信息改變發(fā)送模式和發(fā)送功率，在滿(mǎn)足數(shù)據(jù)和能量因果約束的條件下，使系統(tǒng)獲得最大的遍歷容量。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種雙跳中繼系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)信息和能量的聯(lián)合傳輸方法，使系統(tǒng)在滿(mǎn)足源節(jié)點(diǎn)S的功率約束和中繼節(jié)點(diǎn)R的因果約束的條件下，獲得最大的平均吞吐量。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種雙跳中繼系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)信息和能量的聯(lián)合傳輸方法，源節(jié)點(diǎn)S將B比特信息發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)D，其特征在于，包括如下步驟：(1)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送階段：源節(jié)點(diǎn)S將B比特信息全部發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)R；源節(jié)點(diǎn)S首先根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)R發(fā)送的導(dǎo)頻信息估計(jì)S-R鏈路的信道信息γsr，然后根據(jù)γsr決定源節(jié)點(diǎn)S的發(fā)送模式和發(fā)送功率：當(dāng)γsr大于設(shè)定的門(mén)限值x0時(shí)，源節(jié)點(diǎn)S向中繼節(jié)點(diǎn)R發(fā)送能量，發(fā)送功率為源節(jié)點(diǎn)S的峰值功率Pp；當(dāng)γsr小于設(shè)定的門(mén)限值x0時(shí)，源節(jié)點(diǎn)S向中繼節(jié)點(diǎn)R發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送功率PD*(γsr)=[Cd-1γsr/N0]0Pp]]>,式中，Cd為常數(shù)，N0為噪聲功率，表示將x投影到區(qū)間[a,b]內(nèi)；(2)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送階段：中繼節(jié)點(diǎn)R先利用所采集的能量對(duì)接收的信息進(jìn)行解碼和重新編碼，再將編碼后的符號(hào)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)D；中繼節(jié)點(diǎn)R首先根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送的導(dǎo)頻信息估計(jì)R-D信道的信道信息，然后根據(jù)R-D信道的信道信息決定中繼節(jié)點(diǎn)R的發(fā)送功率式中，Cr為常數(shù)，γrd為R-D鏈路的信道信息，[x]+＝max(x,0)。本發(fā)明的有益效果為：在某些特殊場(chǎng)景中，人工為傳感器或中繼節(jié)點(diǎn)更換電池是不現(xiàn)實(shí)的。本發(fā)明通過(guò)無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)姆绞綖榈凸牡闹欣^節(jié)點(diǎn)提供能量。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D之間不存在直達(dá)徑時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)R可利用采集的能量將接收的信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)D。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的信道為時(shí)變衰落信道時(shí)，源節(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)R可根據(jù)時(shí)變的信道狀態(tài)信息調(diào)整發(fā)送模式，發(fā)送功率和發(fā)送速率，從而使系統(tǒng)獲得最大的平均吞吐量。附圖說(shuō)明圖1是3點(diǎn)中繼系統(tǒng)的模型(中繼節(jié)點(diǎn)R從源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送的射頻信號(hào)中獲取能量和信息)；圖2是當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S的峰值功率約束不同時(shí)，源節(jié)點(diǎn)S的平均發(fā)送功率和系統(tǒng)平均吞吐量的關(guān)系曲線(xiàn)；圖3是當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S的峰值功率約束不同時(shí)，源節(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)R之間的距離和平均吞吐量之間的關(guān)系曲線(xiàn)。具體實(shí)施方式在本發(fā)明所研究的系統(tǒng)中，源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D之間無(wú)直達(dá)徑。中繼節(jié)點(diǎn)R無(wú)穩(wěn)定的能量供應(yīng)，只能從源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送的射頻信號(hào)中獲取能量。下面結(jié)合附圖對(duì)本
發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。在圖1所示的系統(tǒng)模型中，源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D之間沒(méi)有直達(dá)徑，中繼節(jié)點(diǎn)R對(duì)來(lái)自源節(jié)點(diǎn)S的信息進(jìn)行解碼前傳。中繼節(jié)點(diǎn)R無(wú)穩(wěn)定的能量供應(yīng)，只能從源節(jié)點(diǎn)S的射頻信號(hào)中獲取能量。假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S只知道S-R鏈路的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息，中繼節(jié)點(diǎn)R只知道R-D鏈路的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息。在以上假設(shè)條件下，整個(gè)發(fā)送過(guò)程分成兩個(gè)階段：第一階段，源節(jié)點(diǎn)S向中繼節(jié)點(diǎn)R發(fā)送信息或能量；第二階段，中繼節(jié)點(diǎn)R利用采集的能量對(duì)信息進(jìn)行解碼前傳。設(shè)第一階段和第二階段的時(shí)間分別為ns,nr，則其中，N0為噪聲功率，γrd為R-D鏈路的信道信息，γsr為S-R鏈路的信道信息，E{x}表示x的期望，分別表示當(dāng)S向R發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的最優(yōu)發(fā)送功率，最優(yōu)模式分配因子(ρ*＝1表示S向中繼節(jié)點(diǎn)R發(fā)送數(shù)據(jù)；ρ*＝0表示S向中繼節(jié)點(diǎn)R發(fā)送能量)，中繼節(jié)點(diǎn)R向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的最優(yōu)功率，可根據(jù)下文中的(8)，(11)，(3)式得到。在源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送時(shí)間內(nèi)，源節(jié)點(diǎn)S根據(jù)(11)，(8)式確定發(fā)送模式和發(fā)送功率；在中繼節(jié)點(diǎn)R發(fā)送時(shí)間內(nèi)，中繼節(jié)點(diǎn)R根據(jù)(3)式確定發(fā)送功率。本發(fā)明的主要貢獻(xiàn)在于：在滿(mǎn)足源節(jié)點(diǎn)S的平均功率和峰值功率約束，中繼節(jié)點(diǎn)R的能量因果約束的條件下，提出一種能最大化平均吞吐量的協(xié)作傳輸和功率控制方法。具體來(lái)說(shuō)，我們將確定源節(jié)點(diǎn)S如何根據(jù)S-R鏈路的信道增益γsr調(diào)整發(fā)送模式(發(fā)能量或數(shù)據(jù))，發(fā)送功率以及中繼節(jié)點(diǎn)R如何根據(jù)R-D鏈路的信道增益γrd調(diào)整發(fā)送功率。該方法可用數(shù)學(xué)形式表示為：minPD(γsr),PE(γsr),ρ(γsr),PR(γrd)J=1rs‾+1rr‾s.t.Eγsr{ρPD(γsr)+(1-ρ(γsr))PE(γsr)}≤P‾,0≤PD(γsr),PE(γsr)≤Pp,Eγrd{PR(γrd)}rs‾≤Eγsr{η(1-ρ(γsr))γsrPE(γsr)}rr‾,PR(γrd)≥0,(P1)0≤ρ(γsr)≤1.---(1)]]>其中，PD(γsr)表示S向R發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送功率，PE(γsr)表示S向R發(fā)送能量的發(fā)送功率，ρ(γsr)表示發(fā)送模式的時(shí)分因子，PR(γrd)表示中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；目標(biāo)函數(shù)J表示系統(tǒng)的平均吞吐量；η表示中繼節(jié)點(diǎn)的能量轉(zhuǎn)化效率；s.t.后的第一個(gè)約束條件表示源節(jié)點(diǎn)S的平均發(fā)送功率約束，表示平均功率約束；第二個(gè)約束條件表示源節(jié)點(diǎn)S的峰值功率約束，Pp表示峰值功率約束；第三個(gè)約束條件表示中繼節(jié)點(diǎn)R消耗的能量應(yīng)小于等于采集的能量。問(wèn)題(1)是一個(gè)非凸的優(yōu)化問(wèn)題。首先，我們可通過(guò)分析得到PE(γsr)的最優(yōu)解然后，我們固定PD(γsr),ρ(γsr),求出最小化目標(biāo)函數(shù)的PR(γrd)。最后，將PR(γrd)的解代入原目標(biāo)函數(shù)，利用凸優(yōu)化和線(xiàn)性搜索的方法求出PD(γsr),ρ(γsr)的最優(yōu)解。具體來(lái)說(shuō)，我們通過(guò)求解以下子問(wèn)題獲得PR(γrd)的最優(yōu)解:maxPR(γrd)≥0rr‾(P2)s.t.Eγrd{PR(γrd)}rs‾≤Eγsr{η(1-ρ(γsr))γsrPp}rr‾---(2)]]>顯然，問(wèn)題(2)為凸泛函優(yōu)化問(wèn)題，我們可通過(guò)Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件獲得(2)的最優(yōu)解。利用泛函分析中的Euler-Lagrange方程，我們可以得到PR(γrd)的最優(yōu)解為：PR*(γrd)=[Cr-1γrd/N0]+---(3)]]>其中，[x]+＝max(x,0)，μ表示拉格朗日乘子。利用(3)，我們可以得到rr‾=1ln2∫N0Cr∞exp(-x/Lrd)xdx---(4)]]>其中，Lrd表示γrd的方差。將(4)帶入(2)中的約束條件，可以得到ln2[CrLrdN0exp(-N0CrLrd)∫N0CrLrd∞exp(-x)xdx-1]=CsLrdN0---(5)]]>其中，由于Cs是Cr的函數(shù)，我們令則公式(4)可進(jìn)一步表示為為將(P1)轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題，我們令并由此解出Cs＝g(t)。同時(shí)增加一個(gè)變量并將的取值范圍放松為然后，(P1)可重新表述為mint>0ln2t+1J1(t)---(6)]]>其中，J1(t)為下述優(yōu)化問(wèn)題的最大值J1(t)=maxP~D(γsr),ρ(γsr),rs‾rs‾]]>s.t.Eγsr[P~D(γsr)+(1-ρ(γsr))Pp]≤P‾]]>rs‾≤Eγsr(ρ(γsr)log(1+γsrP~D(γsr)ρ(γsr)N0))]]>Eγsr(η(1-ρ(γsr))γsrPp)rs‾=g(t)]]>0≤P~D(γsr)≤ρ(γsr)Pp,rs‾>0,0≤ρ(γsr)≤1---(7)]]>其中，對(duì)任意給定t，(7)是一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題，我們可應(yīng)用KKT條件獲得(7)的最優(yōu)解。給定拉格朗日乘子λ,μ,ν，通過(guò)最大化拉格朗日乘子式L，可以得到PD的最優(yōu)解PD*(γsr)=[Cd-1γsr/N0]0pp---(8)]]>其中，表示將x投影到區(qū)間[a,b]內(nèi)。求L相對(duì)于ρ(γsr)的偏導(dǎo)，可以得到從(9)式可以看出，和ρ(γsr)無(wú)關(guān)，因此ρ*(γsr)=0,iff1<f21,iff1>f2---(10)]]>將(8)式帶入(9)中進(jìn)行分析和化簡(jiǎn)后，我們可以進(jìn)一步得到ρ*(γsr)和γsr的如下關(guān)系：ρ*(γsr)=0,ifγsr/N0>x01,ifγsr/N0<x0---(11)]]>其中，x0表示信噪比的門(mén)限值。從(11)式可以看出，當(dāng)S-R鏈路的信道增益高的時(shí)候，S向R發(fā)送能量信號(hào)，當(dāng)S-R鏈路的信道增益低的時(shí)候，S向R發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)。最后，我們提出一個(gè)基于二分法的算法獲得滿(mǎn)足(7)中所有約束條件的Cd,x0。首先，我們需要判斷Cd和Pp的關(guān)系。令如果則Cd≤Pp；如果則Cd>Pp。然后，我們需要分別討論以下兩種情況：1)Cd≤Pp在這種情況下，(7)中的第一個(gè)和第三個(gè)約束條件可以表示為ηPp(N0x0+Lsr)exp(-N0x0/Lsr)∫N0CdN0x0log(Cdx/N0)exp(-x/Lsr)Lsrdx=g(t)---(12)]]>∫N0CdN0x0Cdu-Pp(Cd-N0x)exp(-x/Lsr)Lsrdx+∫N0x0∞Ppexp(-x/Lsr)Lsrdx=P‾---(13)]]>Cd的下界和上界可以分別通過(guò)求解下面兩個(gè)方程獲得Ppexp(-N0CdlLsr)=P‾---(14)]]>∫N0Cdu∞(Cdu-N0x)exp(-x/Lsr)Lsrdx=P‾---(15)]]>2)Cd>Pp在這種情況下，Cd的下界可通過(guò)求解(14)式獲得，上界可以分別通過(guò)求解下式獲得∫N0C~duN0C~du-Pp(C~du-N0x)exp(-x/Lsr)Lsrdx+∫N0C~du-Pp∞Ppexp(-x/Lsr)Lsrdx=P‾---(16)]]>在上述兩種情況中，最優(yōu)的Cd可在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)通過(guò)二分法獲得。圖2給出了當(dāng)S的峰值功率取不同值時(shí)，系統(tǒng)的平均吞吐率和源節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)送功率之間的關(guān)系。圖2中的系統(tǒng)參數(shù)：帶寬10MHz，接收機(jī)噪聲的功率譜密度-150dBm/Hz，能量轉(zhuǎn)換效率η＝0.8，S-R和R-D之間的距離分別為dsr＝2m,drd＝3m。當(dāng)S的平均功率或峰值功率增加時(shí)，門(mén)限值x0會(huì)相應(yīng)降低，這意味著S有更多的時(shí)間向R發(fā)送能量，從而縮短了R的能量采集時(shí)間。圖3給出了當(dāng)S的峰值功率取不同值時(shí)，系統(tǒng)的平均吞吐率和dsr之間的關(guān)系。圖3中的系統(tǒng)參數(shù)：帶寬10MHz，接收機(jī)噪聲的功率譜密度-150dBm/Hz，能量轉(zhuǎn)換效率η＝0.8，S-D距離dsd＝10m。從圖中可以看出，當(dāng)R離S或D較近時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量較大，當(dāng)R位于S和D之間時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量最低。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3