全雙工中繼裝置、全雙工中繼傳輸控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種中繼裝置、全雙工中繼傳輸控制方 法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在4G網(wǎng)絡(luò)逐步規(guī)模部署的背景下，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點節(jié)能降耗是落實無線通信行業(yè) 節(jié)能減排指標的關(guān)鍵。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和演進，各種新技術(shù)、新應(yīng)用、新服務(wù)層出不窮， 為滿足流量爆炸式發(fā)展的需要，需要部署更多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，無線通信行業(yè)節(jié)能減排形式更 加嚴峻。目前大量無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布置在諸如環(huán)境和安全監(jiān)測、災(zāi)難應(yīng)急通訊、車載信息采集 和電網(wǎng)負載信息采集等各種場景。由于地理等因素，上述應(yīng)用環(huán)境往往缺乏可靠的電網(wǎng)覆 蓋，易于部署和維護的電力供給是避免通信中斷、保證信息及時傳達的關(guān)鍵。采用能量收集 技術(shù)，把環(huán)境中的一些能源（如，電磁能、熱能、太陽能、風能等）收集起來轉(zhuǎn)化成電能給無 線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電，是解決上述問題的有效手段。通過在兩個遠距離通信節(jié)點之間部署低功 率中繼節(jié)點，可以有效提高遠距離通信可靠性，擴大節(jié)點覆蓋面積，同時避免部署額外大功 率基站的開銷。因此，在無線網(wǎng)絡(luò)中部署能量采集系統(tǒng)供能的中繼節(jié)點，將帶來經(jīng)濟和環(huán)境 雙重福利，即，一方面，保證覆蓋范圍的同時避免額外基站的部署開銷，另一方面，降低市電 電能消耗及相應(yīng)碳排放。
[0003] 然而，由于全雙工中繼能夠?qū)崿F(xiàn)同時發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，能有效提高頻譜效率， 近年來，得到越來越多的關(guān)注?，F(xiàn)有研究表明，能量采集全雙工中繼能有效提高系統(tǒng)吞吐 量，并已提出了能量采集全雙工中繼系統(tǒng)中的最優(yōu)功率分配算法。然而，當中繼采用全雙工 工作模式，由于發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)同時進行并使用相同的頻譜資源，中繼傳輸會受到嚴 重的自干擾。另外，全雙工工作模式下中繼單位時間的能量消耗大于半雙工工作模式。因 此，對于能量受限的能量采集中繼來說，采用全雙工工作模式時的系統(tǒng)性能未必優(yōu)于采用 半雙工工作模式。
[0004] 此外，現(xiàn)有文獻中多采用采集-使用（Harvest-Use，HU)或者采集-存儲-使用 (HarVest-St〇re-Use，HSU)形式的能量采集系統(tǒng)。在HU系統(tǒng)中，能量采集裝置直接與負載 連接，而在HSU系統(tǒng)中，能量采集裝置通過能量存儲裝置與負載連接。由于能量存儲裝置的 存儲能力使得能量的調(diào)度可以在時間上進行優(yōu)化，因此，HSU系統(tǒng)比HU系統(tǒng)得到更廣泛的 應(yīng)用。然而，能量存儲裝置的半雙工限制，即充電和放電過程不能同時進行，可能導致傳輸 中斷，甚至導致中繼"開"和"關(guān)"狀態(tài)的頻繁切換。
[0005] 因此，如何實現(xiàn)全雙工能量采集，并使得全雙工能量采集系統(tǒng)為全雙工中繼供電， 以避免中繼在"開"和"關(guān)"狀態(tài)的頻繁切換是目前急需解決的技術(shù)問題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種中繼裝置、全雙工中繼傳輸控制方法及系 統(tǒng)，實現(xiàn)全雙工能量采集系統(tǒng)為全雙工中繼的供電，避免中繼在"開"和"關(guān)"狀態(tài)的頻繁切 換，進而提升了系統(tǒng)的吞吐量。
[0007] -方面，本發(fā)明提供了一種全雙工中繼傳輸控制方法，其特征在于，包括以下步 驟：
[0008] 獲取不同時刻的能量采集信息和能量存儲信息；
[0009] 監(jiān)測各個信道的信道狀態(tài)歷史信息，根據(jù)所述信道狀態(tài)歷史信息估計每一信道的 信道狀態(tài)預(yù)測信息；
[0010] 根據(jù)所述能量采集信息、能量存儲信息及信道狀態(tài)預(yù)測信息進行工作模式選擇、 發(fā)射功率調(diào)整和目的節(jié)點選擇；
[0011] 根據(jù)當前的工作模式、發(fā)射功率和目的節(jié)點計算所述能量存儲裝置的工作狀態(tài)決 策信息，并將所述工作狀態(tài)決策信息發(fā)送給控制器，以使控制器根據(jù)所述工作狀態(tài)決策信 息控制所述能量存儲裝置的工作狀態(tài)。
[0012] 優(yōu)選地，所述監(jiān)測各個信道的信道狀態(tài)歷史信息，根據(jù)所述信道狀態(tài)歷史信息估 計每一信道的信道狀態(tài)預(yù)測信息，具體包括以下步驟：
[0013] 根據(jù)所述能量采集信息和信道狀態(tài)可預(yù)測周期獲取用于確定數(shù)據(jù)傳輸時間；
[0014] 根據(jù)所述各個信道的信道狀態(tài)歷史信息，通過信道預(yù)測得到所述數(shù)據(jù)傳輸時間內(nèi) 每個時隙對應(yīng)的中繼與目的節(jié)點之間的信道狀態(tài)預(yù)測信息。
[0015] 優(yōu)選地，所述根據(jù)所述能量采集信息、能量存儲信息及信道狀態(tài)預(yù)測信息進行工 作模式選擇、發(fā)射功率調(diào)整和目的節(jié)點選擇，具體為：
[0016] 根據(jù)所述能量采集信息、能量存儲信息及信道狀態(tài)預(yù)測信息，以系統(tǒng)最大吞吐量 為優(yōu)化目標，通過迭代算法確定工作模式、發(fā)射功率和目的節(jié)點的最優(yōu)值。
[0017] 優(yōu)選地，所述根據(jù)所述能量采集信息、能量存儲信息及信道狀態(tài)預(yù)測信息，以系統(tǒng) 最大吞吐量為優(yōu)化目標，通過迭代算法確定工作模式、發(fā)射功率和目的節(jié)點的最優(yōu)值，具體 包括以下步驟：
[0018] 通過信道測量分別獲取與源節(jié)點、目的節(jié)點之間的瑞利衰落信道增益；
[0019] 根據(jù)中繼與所述源節(jié)點之間的距離、中繼與所述源節(jié)點之間的瑞利衰落信道增益 以及噪聲功率計算中繼與所述源節(jié)點之間的第一信道增益噪聲比；
[0020] 根據(jù)中繼與所述目的節(jié)點之間的距離、中繼與所述目的節(jié)點之間的瑞利衰落信道 增益以及噪聲功率計算中繼與所述目的節(jié)點之間的第二信道增益噪聲比；
[0021] 根據(jù)當前中繼的自干擾值以及所述噪聲功率計算干擾噪聲比；
[0022] 利用所述第一信道增益噪聲比、第二信道增益噪聲比、干擾噪聲比構(gòu)造表示該中 繼的工作模式-發(fā)射功率變量模型以及工作模式-目的節(jié)點變量模型；
[0023] 利用所述工作模式-發(fā)射功率變量模型以及工作模式-目的節(jié)點變量模型構(gòu)造吞 吐量優(yōu)化問題模型；
[0024] 以所述吞吐量優(yōu)化問題模型輸出的系統(tǒng)吞吐量最大為優(yōu)化目標，通過迭代算法確 定工作模式、發(fā)射功率和目的節(jié)點的最優(yōu)值。
[0025] 優(yōu)選地，所述通過迭代算法確定工作模式、發(fā)射功率和目的節(jié)點的最優(yōu)值，具體包 括：
[0026] S1 :設(shè)定迭代優(yōu)化初始條件；
[0027] S2 :計算所述中繼工作在不同工作模式時所述源節(jié)點和所述中繼的和功率；
[0028] S3:根據(jù)所述不同工作模式時所述源節(jié)點和所述中繼的和功率計算中繼工作模式 與目的節(jié)點選擇變量和中繼工作在不同模式時對不同目的節(jié)點的發(fā)射功率的乘積；
[0029] S4:根據(jù)所述中繼工作在不同工作模式時所述源節(jié)點和所述中繼的和功率計算所 述中繼工作在不同工作模式時，所述中繼與所述目的節(jié)點之間的傳輸速率；
[0030] S5 :根據(jù)所述中繼與所述目的節(jié)點之間的傳輸速率計算所述中繼工作模式與目的 節(jié)點選擇變量；
[0031] 所述中繼工作模式與目的節(jié)點選擇變量的表達式為：
[0033] 其中，υ表示迭代次數(shù)，i表示第i個時隙，Θ表示不同工作模式，當Θ = 〇時表 示中繼工作在半雙工工作模式，Θ = 1時表示中繼工作在全雙工工作模式，
(Afwf無具體物理含義，僅表示變量之間的組合關(guān)系，為中繼r工作在Θ模式時， 中繼r與目的節(jié)點u之間的傳輸速率，J為目的節(jié)點u與中繼r連接時的信噪比；
[0035] S6 :根據(jù)所述中繼工作模式與目的節(jié)點選擇變量計算所述中繼工作在不同模式時 對不同目的節(jié)點的發(fā)射功率；
[0036] S7 :根據(jù)所述中繼工作在不同模式時對不同目的節(jié)點的發(fā)射功率、所述中繼工作 模式與目的節(jié)點選擇變量計算用于迭代的拉格朗日因子；
[0037] S8:判斷相鄰兩次迭代計算的拉格朗日因子的差值是否小于預(yù)設(shè)值，若是，則停 止迭代計算，并確定當前中繼的發(fā)射功率、中繼工作模式與目的節(jié)點選擇變量為最優(yōu)解；若 否，則重復(fù)執(zhí)行步驟S2進行迭代計算。
[0038] 優(yōu)選地，所述根據(jù)當前的工作模式、發(fā)射功率和目的節(jié)點計算所述能量存儲裝置 的工作狀態(tài)決策信息，具體包括：
[0039] 根據(jù)工作模式、發(fā)射功率和目的節(jié)點的最優(yōu)值計算出中繼每一時隙的能量消耗信 息；
[0040] 根據(jù)所述每一時隙的能量消耗信息、能量采集信息以及剩余能量信息得出中繼的 能量存儲裝置在每一時隙的工作狀態(tài)信息，作為所述將能量存儲裝置工作狀態(tài)決策信息。
[0041] 優(yōu)選地，所述根據(jù)所述每一時隙的能量消耗信息、能量采集信息以及剩余能量信 息得出中繼的能量存儲裝置在每一時隙的工作狀態(tài)信息，作為所述將能量存儲裝置工作狀 態(tài)決策信息，具體包括：
[0042] 判斷當前時隙采集能量是否大于或等于所述能量消耗；
[0043] 如果是，則所述當前時隙的起始時刻，該中繼的能量采集裝置所采集的能量在所 述當前時隙直接為該中繼供電，剩余能量進入所述能量存儲裝置進行存儲，即能量存儲裝 置充電；
[0044] 如果否，則繼續(xù)判斷當前時隙所述能量采集裝置內(nèi)的剩余能量與采集能量之和是 否大于或等于所述能量消耗；
[0045] 如果所述能量采集裝置內(nèi)的剩余能量與采集能量之和大于或等于所述能量消耗， 則所述當前時隙的起始時刻所述中繼的能量采集裝置所采集的能量和所述能量存儲裝置 內(nèi)的剩余能量在當前時隙一起為該中繼供電，所述能量存儲裝置放電；
[0046] 如果所述能量采集裝置內(nèi)的剩余能量與采集能量之和