一種基于最小接收信噪比最大化的攜能通信系統(tǒng)雙向中繼選擇方案的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基站和用戶雙向通信，尤其設(shè)及一種基于最小接收信噪比最大化的攜 能通信系統(tǒng)雙向中繼選擇方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 中繼是網(wǎng)絡(luò)物理層的連接設(shè)備，主要功能是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的重新發(fā)送或者轉(zhuǎn) 發(fā)，來(lái)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木嚯x。簡(jiǎn)單通俗地說(shuō)，中繼就是用來(lái)在網(wǎng)絡(luò)中放大信號(hào)的，而雙向中 繼通信方案在同一個(gè)物理信道中支持了兩個(gè)單向信道，實(shí)現(xiàn)了更大的和速率，因此雙向中 繼技術(shù)得到了廣泛的研究，該技術(shù)可W提高系統(tǒng)吞吐量，彌補(bǔ)單向中繼系統(tǒng)頻譜低下的缺 點(diǎn)。目前，雙向中繼系統(tǒng)為無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN，Wireless Local Area Network)、無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Networks)中的高效數(shù)據(jù)通信提供了一種有效的技術(shù)手段，已 經(jīng)得到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。
[0003] 運(yùn)里采用基于最小接收信噪比準(zhǔn)則制定中繼選擇方案。信噪比是度量通信系統(tǒng)通 信質(zhì)量可靠性的一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)。增大或改善信噪比是提高通信質(zhì)量的一項(xiàng)主要任務(wù)。 在傳輸中，可通過(guò)改善傳輸手段和增大設(shè)備能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如采用光纜、同軸電纜或衛(wèi)星信 道W減少傳輸損耗和噪聲。但信道選定后，主要靠增大設(shè)備能力，例如在衛(wèi)星通信中提高天 線增益和降低接收機(jī)等效噪聲溫度。
[0004] 供電的雙向中繼通信是一種新的網(wǎng)絡(luò)模式，其中，無(wú)線通信設(shè)備的電池可W通過(guò) 微波無(wú)線電力傳輸裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程補(bǔ)充技術(shù)(WPT)，用戶接收信號(hào)后由給定的功率分配因子 W-定的能量解碼所接收的信號(hào)(DF)，余下的能量保存在用戶中，用于下次通信。無(wú)線供電 的通信網(wǎng)絡(luò)(WPCN)減少了頻繁手動(dòng)更換電池 W及充電的麻煩，并有更高的吞吐量，更長(zhǎng)的 元件壽命W及更低的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本。此外，WPCN可W根據(jù)不同的環(huán)境和服務(wù)需求控制它的 發(fā)射功率，波形、占用時(shí)間、頻率尺寸等。與傳統(tǒng)的能量收集相對(duì)比，例如，WPCN利用可再生 能源，因?yàn)榭稍偕茉创蠖嗍请S機(jī)且隨時(shí)間變化的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)按需能量需求來(lái)供給到設(shè)備 端。WPT相比傳統(tǒng)能源供應(yīng)方法的運(yùn)些明顯的優(yōu)勢(shì)使得WPCN成為一個(gè)有前途的新模式，但不 可否認(rèn)，WPCN也帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，能量轉(zhuǎn)移需要更復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)建高效WPCN在實(shí)踐中 是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，一方面，由于功率隨著距離的衰減接收到的能量可W非常低，運(yùn) 種能量遠(yuǎn)近效應(yīng)可導(dǎo)致在不同的位置的用戶有不公平現(xiàn)象；另一方面，在WPCN中傳輸能量 的接頭設(shè)計(jì)是必要的，首先，無(wú)線能量和信息的傳輸往往相關(guān)，比如，一個(gè)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)之 前WPT需要收獲足夠的能量，第二，能量轉(zhuǎn)移共享頻譜與通信信道，運(yùn)可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)并發(fā)信 息傳輸?shù)墓残诺栏蓴_。由于上述原因，需要新的物理層傳輸技術(shù)W及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)，W優(yōu)化 WPCN的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為:一種帶無(wú)線充電的基站和用戶雙向通信在最小信噪 比最優(yōu)下的中繼選擇方案，從而提高了系統(tǒng)的通信質(zhì)量和中斷性能，適用于無(wú)線通信。系統(tǒng) 在運(yùn)行時(shí)，存在多個(gè)可供用戶選擇的中繼節(jié)點(diǎn)，中繼選擇技術(shù)按照某種準(zhǔn)則選擇一個(gè)最優(yōu) 中繼，基站和用戶利用選定的中繼轉(zhuǎn)發(fā)信息。其中用戶配備充電電池，從接收到的信號(hào)中收 集能量，基站和中繼配備電池。利用本發(fā)明，可顯著降低中斷概率、誤碼率，提高系統(tǒng)的吞吐 量。
[0006] 本發(fā)明基于最小信噪比最大為準(zhǔn)則進(jìn)行中繼選擇所采取的技術(shù)方案具體為:基站 和用戶雙向通信系統(tǒng)由一個(gè)基站、多個(gè)中繼和一個(gè)用戶組成，其中中繼有一個(gè)放大器，基站 和用戶都一個(gè)解碼器，系統(tǒng)還配備一個(gè)中繼選擇控制器。本發(fā)明中，基站和中繼配有電池， 用戶沒有電源供應(yīng)，采用無(wú)線充電技術(shù)，從接收信號(hào)中收集能量和充電。
[0007] 本發(fā)明中W最小信噪比最大為準(zhǔn)則進(jìn)行中繼的選擇，最小信噪比是指在基站和用 戶雙向通信過(guò)程中，基站和用戶接收信噪比最差的達(dá)到最大值。所有節(jié)點(diǎn)都W半雙工模式 工作在同一頻段，所考慮的基站和用戶之間沒有直接的聯(lián)系，而是通過(guò)選定的中繼協(xié)作通 信。在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，用戶和基站同時(shí)向中繼發(fā)射他們的信號(hào)，在第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)，中繼節(jié)點(diǎn) 將接收到的信號(hào)首先進(jìn)行放大，再向用戶和基站轉(zhuǎn)發(fā)，基站和用戶各自解碼出所需要的信 息。
[0008] 不同的中繼網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的放大器，用來(lái)將接收信號(hào)放大W滿足中繼的功率限 審IJ，基站和用戶都有一個(gè)解碼器，發(fā)送端能量發(fā)射器和信號(hào)發(fā)射器的有兩套天線系統(tǒng)，系統(tǒng) 各個(gè)節(jié)點(diǎn)包括接收單元、發(fā)送單元和數(shù)據(jù)處理單元，基站和用戶中繼在接入控制單元的控 制下，通過(guò)中繼轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行通信。
[0009] 本發(fā)明所述的系統(tǒng)基于在最小信噪比最高下的中繼選擇方案，包括W下步驟：
[0010] 步驟一，中繼選擇控制器探測(cè)各中繼信道狀態(tài)信息，根據(jù)本發(fā)明方案準(zhǔn)則進(jìn)行中 繼選擇；
[0011] 步驟二，基站和用戶同時(shí)發(fā)送信息給選定的中繼，；
[0012] 步驟Ξ，中繼對(duì)接收到的信號(hào)放大并轉(zhuǎn)發(fā)給基站和用戶；
[0013] 步驟四，基站和用戶對(duì)收到的信號(hào)解碼，其中用戶收集能量，在給定的功率因子下 一部分能量用來(lái)解碼信號(hào)，一部分能量保存下來(lái)W供下次發(fā)送信號(hào)；
[0014] 假設(shè)基站為B，用戶為U，i個(gè)中繼分別為化，R2,. . .Ri。
[0015] 基站接收信號(hào)表達(dá)式為
[0021] 在最小信噪比最大方案下選擇的中繼Ri應(yīng)滿足
[0022]
[0023] 運(yùn)里定義系統(tǒng)中斷概率為P〇ut = Pr{min(丫 U，丫 B)< 丫化}，則對(duì)應(yīng)最小信噪比越大 系統(tǒng)中斷概率越小，可W用系統(tǒng)中斷概率表征最小信噪比。
[0024] 其中，中繼放大因3
. Λ?,為中繼接收到的信號(hào)山為基 站和中繼之的信道系數(shù)，g功用戶和中繼之的信道系數(shù)，〇B，〇U，％分別為用戶、基站和中繼 接收信號(hào)噪聲方差，P為用戶端功率分配因子。
[0025] 本發(fā)明可W做到系統(tǒng)的中斷選擇控制器在通信之前探測(cè)系統(tǒng)的信道信息，從而找 到最佳的中繼。與隨機(jī)選擇相比，該方案明顯提高了系統(tǒng)最小接收信噪比，降低了系統(tǒng)的中 斷概率，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的分級(jí)增益，降低中斷概率和誤碼率，從而提高系統(tǒng)的吞吐量。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明方法流程圖；
[00%]圖3本方案與隨機(jī)選擇的中斷概率對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029 ] W下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步描述。
[0030] 結(jié)合圖1，圖2,本發(fā)明基于最小信噪比最大為準(zhǔn)則進(jìn)行中繼基站和用戶雙向通信 系統(tǒng)由一個(gè)基站、多個(gè)中繼和一個(gè)用戶組成，其中中繼有一個(gè)放大器，基站和用戶都一個(gè)解 碼器，系統(tǒng)還配備一個(gè)中斷選擇控制器。本發(fā)明中，基站和中繼配有電池，用戶沒有電源供 應(yīng)，采用無(wú)線充電技術(shù)，從接收信號(hào)中收集能量和充電。
[0031] 本發(fā)明中W最小信噪比最大為準(zhǔn)則進(jìn)行中繼的選擇，最小信噪比是指能讓基站和 用戶雙向通