本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種全雙工能量采集中繼自適應(yīng)天線選擇傳輸方法。

背景技術(shù)：

同頻同時(shí)全雙工技術(shù)被認(rèn)為一項(xiàng)有效提高頻譜效率的技術(shù)，該技術(shù)是在同一個(gè)物理信道上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向信號(hào)的傳輸，即通過(guò)在通信雙工節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)處消除自身發(fā)射機(jī)信號(hào)的干擾，在發(fā)射機(jī)信號(hào)同時(shí)，接收來(lái)自另一節(jié)點(diǎn)的同頻信號(hào)，對(duì)比傳統(tǒng)的時(shí)分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)而言，同頻同時(shí)全雙工可以將頻譜效率提高一倍。目前，同頻同時(shí)全雙工技術(shù)正逐漸成為無(wú)線通信領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，并且已經(jīng)初步顯示出廣闊的應(yīng)用前景。在蜂窩通信系統(tǒng)、室內(nèi)無(wú)線通信系統(tǒng)等都可以應(yīng)用，近幾年，對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中能量采集技術(shù)的研究受到了廣泛關(guān)注，對(duì)于不便于大規(guī)模采用有線供能的中繼網(wǎng)絡(luò)，比如傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的方法是采用電池供電，但是造成后期的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本較高，需要定期更換電池或者給電池充電。無(wú)線能量采集技術(shù)顯著延長(zhǎng)了多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，鑒于此，對(duì)于采用能量采集技術(shù)的協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)的研究顯得十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種全雙工能量采集中繼自適應(yīng)天線選擇傳輸方法，使得整個(gè)系統(tǒng)在多種情況下都可以選擇速率最大的方案去收發(fā)信息。

一種全雙工能量采集中繼自適應(yīng)天線選擇傳輸方法，用于全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)，其中全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)包括信源、中繼和信宿三個(gè)節(jié)點(diǎn)，信源與信宿之間信息傳輸過(guò)程在一個(gè)傳輸時(shí)隙完成，包括以下步驟：

1)信源和中繼發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，通過(guò)反饋信道中繼獲得信源到中繼，中繼到信宿以及自干擾信道的完全狀態(tài)信息。接著信源將有用信息廣播至中繼，中繼在t時(shí)刻接收信號(hào)的表達(dá)式表示如下：

其中d₁為信源到中繼的距離，m表示路徑損耗因子，h_1,i為信源至中繼的信道參數(shù)，f_i,j為信源至中繼的信道參數(shù)，|x_s|²＝P_s為信源發(fā)送的信號(hào)功率，|x_r|²＝P_r為中繼發(fā)送的信號(hào)功率，n_r為單位方差加性白高斯噪聲，其中i表示中繼第i根用于接收信號(hào)的天線，j表示中繼第j根用于發(fā)送信號(hào)的天線；

2)中繼采集的能量用于轉(zhuǎn)發(fā)信源的信息給信宿，在忽略采集天線接收噪聲所帶微弱能量時(shí)，在時(shí)間T內(nèi)中繼接收信源發(fā)送信號(hào)的總能量為中繼采用能量采集技術(shù)，即中繼將部分接收信號(hào)中所包含能量用以采集并為中繼工作供能，由于無(wú)線能量采集存在轉(zhuǎn)化效率，中繼實(shí)際采集到的能量為其中η表示能量轉(zhuǎn)換效率因子，ρ表示功率分配因子，并且0<ρ<1，0<η<1，當(dāng)一部分信號(hào)用于能量采集之后，中繼處于全雙工的工作模式下，中繼的發(fā)送功率為

3)中繼轉(zhuǎn)發(fā)信源的信息到信宿，信宿在t時(shí)刻接收到的信號(hào)可以表示為其中d₂為中繼到信宿之間的距離，h_2,j表示中繼與信宿間信道系數(shù)，n_d為單位方差白高斯噪聲；

4)系統(tǒng)計(jì)算以下3種中繼天線收發(fā)方案所對(duì)應(yīng)的接收端信噪比：天線收發(fā)方案1，先在中繼的所有天線中選擇一根信源到中繼信道增益最大的天線接收信號(hào)，選擇公式為：然后在剩下的天線中選擇一根中繼到信宿信道增益最大的天線轉(zhuǎn)發(fā)信息，選擇公式為：天線收發(fā)方案2，直接選擇中繼的收發(fā)天線使得自干擾信道增益最小，選擇公式為：天線收發(fā)方案3，先在中繼的所有天線中選擇一根信源到中繼信道增益最大的天線接收信號(hào)，選擇公式為：然后在剩余的天線中選擇一根使得自干擾信道增益最小的天線轉(zhuǎn)發(fā)信息，選擇公式為：從信源到信宿的總的接收信噪比為其中n＝1,2,3，分別代表天線收發(fā)方案1，天線收發(fā)方案2，天線收發(fā)方案3；

5)計(jì)算出三種天線收發(fā)方案所對(duì)應(yīng)的接收端信噪比后，通過(guò)公式C＝log₂(1+γ_n,AF)計(jì)算得到三種天線收發(fā)方案所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)瞬時(shí)速率，系統(tǒng)依據(jù)三種方案的瞬時(shí)速率進(jìn)行中繼天線收發(fā)方案的自適應(yīng)切換，即天線收發(fā)方案的自適應(yīng)切換得到系統(tǒng)傳輸速率達(dá)到最大。

在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，步驟2)中，中繼采用的是可變?cè)鲆娣糯筠D(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，在可變?cè)鲆娣糯筠D(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下，中繼放大因子中繼在t時(shí)刻轉(zhuǎn)發(fā)信源的信號(hào)可以表示為其中τ表示時(shí)間延遲因子。

本發(fā)明中的全雙工能量采集中繼自適應(yīng)天線選擇傳輸方法，針對(duì)中繼天線的收發(fā)設(shè)置三個(gè)可選擇方案：方案一，先從中繼的所有天線中選擇一根使得信源到中繼信道增益達(dá)到最大的天線用來(lái)接收信源信號(hào)，然后在剩下的天線中選擇一根中繼到信宿信道增益最大的天線轉(zhuǎn)發(fā)信源信息給信宿；方案二，直接同時(shí)選擇中繼的收發(fā)天線使得自干擾信道增益最小。方案三，先在中繼的所有天線中選擇一根信源到中繼信道增益最大的天線來(lái)接收信源信號(hào)，然后在剩余的天線中選擇一根使得自干擾信道增益最小的天線轉(zhuǎn)發(fā)信源信息到信宿，基于系統(tǒng)瞬時(shí)速率的計(jì)算對(duì)三種天線選擇方案進(jìn)行自適應(yīng)切換，使得系統(tǒng)的傳輸速率最大化，該傳輸方法中繼采用了無(wú)線信號(hào)功率分配能量采集技術(shù)，適用于一些不便于大規(guī)模有線供能的中繼網(wǎng)絡(luò)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

附圖說(shuō)明

圖1a)是本發(fā)明中的全雙工能量采集中繼自適應(yīng)天線選擇通信系統(tǒng)傳輸流程圖；

圖1b)是本發(fā)明中的全雙工能量采集中繼自適應(yīng)天線選擇傳輸方法的功率分配框圖；

圖2是本發(fā)明中的系統(tǒng)流程框圖；

圖3是本發(fā)明中的中繼網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下的二維拓?fù)鋱D；

圖4是本發(fā)明中系統(tǒng)平均速率隨信源發(fā)送功率P_S增大時(shí)三種天線選擇方案以及自適應(yīng)天線選擇方案的變化情況；

圖5是系統(tǒng)平均速率隨功率分配因子ρ增大時(shí)三種方案的變化情況。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，

參見(jiàn)圖1(a)和1(b)，圖1(a)中包含三個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為信源S、中繼R和信宿D(zhuǎn)，全雙工中繼自由配置若干根天線用于接收和發(fā)送信號(hào)，其他節(jié)點(diǎn)均為單天線，且中繼為無(wú)源節(jié)點(diǎn)，需通過(guò)無(wú)線能量采集為其工作供能，由于信源與信宿間距離較遠(yuǎn)，沒(méi)有直達(dá)路徑。中繼為全雙工工作模式，中繼將接收信息的一部分用于能量采集，采集所得能量用于轉(zhuǎn)發(fā)另一部分信息，且中繼使用干擾自消除技術(shù)對(duì)自干擾信號(hào)進(jìn)行消除，系統(tǒng)中所有信道均采用瑞利衰落信道，信源與信宿之間信息傳輸過(guò)程在一個(gè)傳輸時(shí)隙完成，包括以下步驟：

1)信源和中繼發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，通過(guò)反饋信道中繼獲得信源到中繼，中繼到信宿以及自干擾信道的完全狀態(tài)信息。接著信源將有用信息廣播至中繼，中繼在t時(shí)刻接收信號(hào)的表達(dá)式表示如下：

其中d₁為信源到中繼的距離，m表示路徑損耗因子，h_1,i為信源至中繼的信道參數(shù)，f_i,_j為信源至中繼的信道參數(shù)，|x_s|²＝P_s為信源發(fā)送的信號(hào)功率，|x_r|²＝P_r為中繼發(fā)送的信號(hào)功率，n_r為單位方差加性白高斯噪聲，其中i表示中繼第i根用于接收信號(hào)的天線，j表示中繼第j根用于發(fā)送信號(hào)的天線；

2)中繼采集的能量用于轉(zhuǎn)發(fā)信源的信息給信宿，在忽略采集天線接收噪聲所帶微弱能量時(shí)，在時(shí)間T內(nèi)中繼接收信源發(fā)送信號(hào)的總能量為中繼采用能量采集技術(shù)，即中繼將部分接收信號(hào)中所包含能量用以采集并為中繼工作供能，由于無(wú)線能量采集存在轉(zhuǎn)化效率，中繼實(shí)際采集到的能量為其中η表示能量轉(zhuǎn)換效率因子，ρ表示功率分配因子，并且0<ρ<1，0<η<1，當(dāng)一部分信號(hào)用于能量采集之后，中繼處于全雙工的工作模式下，中繼的發(fā)送功率為

3)中繼轉(zhuǎn)發(fā)信源的信息到信宿，信宿在t時(shí)刻接收到的信號(hào)可以表示為其中d₂為中繼到信宿之間的距離，h_2,j表示中繼與信宿間信道系數(shù)，n_d為單位方差白高斯噪聲；

4)系統(tǒng)計(jì)算以下3種中繼天線收發(fā)方案所對(duì)應(yīng)的接收端信噪比：天線收發(fā)方案1，先在中繼的所有天線中選擇一根信源到中繼信道增益最大的天線接收信號(hào)，選擇公式為：然后在剩下的天線中選擇一根中繼到信宿信道增益最大的天線轉(zhuǎn)發(fā)信息，選擇公式為：天線收發(fā)方案2，直接選擇中繼的收發(fā)天線使得自干擾信道增益最小，選擇公式為：天線收發(fā)方案3，先在中繼的所有天線中選擇一根信源到中繼信道增益最大的天線接收信號(hào)，選擇公式為：然后在剩余的天線中選擇一根使得自干擾信道增益最小的天線轉(zhuǎn)發(fā)信息，選擇公式為：從信源到信宿的總的接收信噪比為其中n＝1,2,3，分別代表天線收發(fā)方案1，天線收發(fā)方案2，天線收發(fā)方案3；

5)計(jì)算出三種天線收發(fā)方案所對(duì)應(yīng)的接收端信噪比后，通過(guò)公式C＝log₂(1+γ_n,AF)計(jì)算得到三種天線收發(fā)方案所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)瞬時(shí)速率，系統(tǒng)依據(jù)三種方案的瞬時(shí)速率進(jìn)行中繼天線收發(fā)方案的自適應(yīng)切換，即天線收發(fā)方案的自適應(yīng)切換得到系統(tǒng)傳輸速率達(dá)到最大。

步驟2)中，中繼采用的是可變?cè)鲆娣糯筠D(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，在可變?cè)鲆娣糯筠D(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下，中繼放大因子中繼在t時(shí)刻轉(zhuǎn)發(fā)信源的信號(hào)可以表示為其中τ表示時(shí)間延遲因子。

圖3是本發(fā)明中的中繼網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下1×1的二維拓?fù)鋱D。其中，信源位于點(diǎn)(0,0)，中繼位于點(diǎn)(0.5,0)，信宿位于點(diǎn)(1,0)，圖4是系統(tǒng)平均速率隨信源發(fā)送功率P_S增大時(shí)三種方案以及自適應(yīng)天線選擇方案的變化情況。仿真環(huán)境:功率分配因子ρ＝0.4，信道衰落系數(shù)m＝3，能量轉(zhuǎn)化效率η＝0.6，天線數(shù)為6，中繼自干擾信道平均信道增益_E(|f_i,j|²)＝0.1，其他信道平均信道增益均為1，圖5是系統(tǒng)平均速率隨功率分配因子ρ增大時(shí)三種方案的變化情況。仿真環(huán)境:信源發(fā)送功率P_s＝10dB，信道衰落系數(shù)m＝3，能量轉(zhuǎn)化效率η＝0.6，天線數(shù)為6，中繼自干擾信道平均信道增益_E(|f_i,j|²)＝0.1，其他信道平均信道增益均為1，由圖4和圖5可知，自適應(yīng)天線選擇方案能夠使得系統(tǒng)的傳輸速率最大化。

綜上所述，該全雙工能量采集中繼自適應(yīng)天線選擇傳輸方法針對(duì)中繼天線的收發(fā)設(shè)置三個(gè)可選擇方案：方案一，先從中繼的所有天線中選擇一根使得信源到中繼信道增益達(dá)到最大的天線用來(lái)接收信源信號(hào)，然后在剩下的天線中選擇一根中繼到信宿信道增益最大的天線轉(zhuǎn)發(fā)信源信息給信宿；方案二，直接同時(shí)選擇中繼的收發(fā)天線使得自干擾信道增益最小。方案三，先在中繼的所有天線中選擇一根信源到中繼信道增益最大的天線來(lái)接收信源信號(hào)，然后在剩余的天線中選擇一根使得自干擾信道增益最小的天線轉(zhuǎn)發(fā)信源信息到信宿，基于系統(tǒng)瞬時(shí)速率的計(jì)算對(duì)三種天線選擇方案進(jìn)行自適應(yīng)切換，使得系統(tǒng)的傳輸速率最大化，該傳輸方法中繼采用了無(wú)線信號(hào)功率分配能量采集技術(shù)，適用于一些不便于大規(guī)模有線供能的中繼網(wǎng)絡(luò)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

上述僅為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對(duì)本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護(hù)范圍的行為。