SWIPT系統中無源中繼收集干擾能量來提高最優系統速率方法與流程

本發明屬于無線通信技術領域，涉及swipt系統中無源中繼收集干擾能量來提高最優系統速率方法。

背景技術：

射頻信號不但攜帶要傳輸的信息，而且其自身也具有能量。在無線通信系統中，如果可以在使用射頻信號傳輸信息的同時傳輸能量，就可以很大程度上地延長無線網絡系統的使用壽命。研究射頻信號信息和能量同時傳輸的技術被稱為swipt技術，該項技術的研究對無線傳輸網絡的發展具有重大意義。

中繼技術可以延伸通信的覆蓋范圍、提高系統的容量以及提高用戶的服務質量。中繼作為通信系統的一個轉發節點，具有接收和轉發的功能，中繼接收機的接收策略對系統的性能有重要的影響。

信息和能量同時傳輸，關鍵在于接收機的設計，現有接收機的接收策略，主要有時間分割(ts)、功率分割(ps)以及ts和ps相結合等幾種方式。目前，在不考慮干擾的情況下，ts和ps方案都已經給出了最優策略。

無線通信系統中的干擾信號是無處不在的，過強的干擾信號使通信中斷，嚴重影響系統的性能。然而，干擾信號作為無線信號也可以被當作能量進行收集。現有的無源中繼swipt系統在強干擾環境下停止工作，從而導致系統速率的降低，系統性能受到很大的影響。所以，研究降低強干擾環境下系統速率受干擾信號影響程度的方法是非常有必要的。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提出swipt系統中無源中繼收集干擾能量來提高最優系統速率方法，該方法可以在強干擾環境下降低具有無源中繼swipt系統的最優系統速率受干擾信號影響的程度，改善系統的性能。

本發明的技術方案如下：

有源的發射機發射的信號x首先到達中繼，經過中繼放大轉發，中繼是無源的，依靠從射頻信號中收集的能量來轉發信號。中繼接收到的信號為：其中，h為發射機到中繼鏈路的信道增益；p為發射機的發射功率；na為中繼的天線噪聲，表示na服從均值為0、方差為的圓對稱復高斯分布。

系統在運行過程中，存在以下兩種情況：

(1)系統因強干擾信號而停止信息和能量同時傳輸工作，但是中繼進入能量收集(eh)模式，從而收集干擾能量。此時，中繼將持續時間為mt的干擾信號的能量收集并存儲，即收集干擾能量；然后平均分配到下次干擾信號到來之前的nt時間，即n個通信時隙中，t為一個時隙的時間長度。所以，中繼收集的干擾能量為：ei＝ηmtpi，其中，pi為干擾功率，η表示能量轉換效率。該段干擾結束后分配到后續傳輸的每個通信時隙的能量為：e′i＝η(m/n)pit＝ηξpit，其中，ξ＝m/n，表示干擾系數，假設0≤m≤n，則0≤ξ≤1。

(2)沒有干擾信號或者干擾信號不強時，系統正常工作。此時，中繼在一個通信時隙內從信號中收集的能量為：eeh＝ηhpαt，其中，α為時隙分割系數。

中繼的轉發功率為：

經過中繼放大之后的信號為：

信號被中繼放大之后，發送到有源的接收機，接收機接收到的信號為：其中，g為中繼到接收機鏈路的信道增益；nr為接收機的天線噪聲，表示nr服從均值為0、方差為的圓對稱復高斯分布。

所以，接收信號的信噪比表示為：

由香農公式可以得到系統速率為：

采用最優化算法，系統調整時隙分割系數α，使得系統速率r達到最大值的時隙分割系數，稱為最優時隙分割系數，記為α^*。在最優時隙分割系數情況下得到的最大系統速率稱為最優系統速率，記為r^*，其表示式為：

當干擾功率和干擾系數發生改變時，系統能夠實時動態地獲得最優時隙分割系數α^*，從而獲得在強干擾環境下swipt系統的最優系統速率r^*。

本發明具有以下有益效果：

本發明所述的swipt系統中無源中繼收集干擾能量來提高最優系統速率方法，通過收集干擾能量，調整后續通信時隙中的時隙分割系數，使傳輸信息的時間比例增大，收集能量的時間比例減小，從而彌補由于干擾信號造成的最優系統速率減小的問題。這樣，最優系統速率受到干擾信號的影響程度會減小，干擾信號的能量也能夠被充分利用。從而實現了干擾環境下最優的信息與能量同時傳輸。

附圖說明：

圖1是系統傳輸時隙示意圖；

圖2是基于時間分割的swipt模型；

圖3是系統速率隨時隙分割系數變化的仿真圖；

圖4是最優系統速率隨干擾信號功率變化的仿真圖；

圖5是最優系統速率隨干擾系數變化的仿真圖。

具體實施方式：

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步詳細描述。

本發明的主旨是提出swipt系統中無源中繼收集干擾能量來提高最優系統速率方法，改善干擾環境下系統的性能。所提出的方法對于降低最優系統速率受干擾信號影響的程度具有重要的指導意義。

下面結合附圖對本發明作進一步地詳細描述。

圖1是系統傳輸時隙示意圖。如圖1所示，某段強干擾持續的時間長度為mt，其中t為一個時隙的時間長度，在這段時間內系統無法停止信息和能量同時傳輸工作，而中繼處于能量收集(eh)模式，收集干擾信號的能量。中繼收集的干擾能量為：ei＝ηmtpi，其中，pi為干擾功率，η表示能量轉換效率。

在本段干擾信號結束后，收集的干擾能量被平均分成n份，分配到下一段干擾信號到來之前的nt時間，即n個通信時隙內，每個時隙分得的能量為：e′i＝η(m/n)pit＝ηξpit，其中，ξ＝m/n，表示干擾系數，假設0≤m≤n，則0≤ξ≤1。

每個時隙持續的時間為t，被分割成兩部分，αt時間為能量收集(eh)模式，(1-α)t時間為信息解碼(id)模式；其中，α為時隙分割系數，0＜α＜1。

圖2是基于時間分割的swipt模型示意圖。如圖2所示，發射機發射的信號x首先到達中繼，經過中繼放大轉發，中繼接收到的信號為：其中，h為發射機到中繼鏈路的信道增益；p為發射機的發射功率；na表示中繼的天線噪聲，服從均值為0、方差為的圓對稱復高斯分布，即中繼在一個通信時隙內、且處于能量收集(eh)模式的αt時間內從信號中收集的能量為：eeh＝ηhpαt。所以，中繼的轉發功率為：聯立化簡得到：

經過中繼放大之后的信號為：

信號被中繼放大之后，發送到接收機，接收機接收到的信號為：其中，g為中繼到接收機鏈路的信道增益；nr為接收機的天線噪聲，服從均值為0、方差為的圓對稱復高斯分布，即

所以，接收信號的信噪比表示為：

由香農公式可以得到系統速率為

采用最優化算法，系統調整時隙分割系數α，使得系統速率r達到最大值的時隙分割系數，稱為最優時隙分割系數，記為α^*。在最優時隙分割系數情況下得到的最大系統速率，稱為最優系統速率，記為r^*，其表示式為

當干擾功率和干擾系數發生改變時，系統能夠實時動態地獲得最優時隙分割系數α^*，從而獲得在強干擾環境下swipt系統的最優系統速率r^*。

圖3是系統速率隨時隙分割系數變化仿真圖。信道增益設置為：h＝1，g＝1；干擾系數設置為ξ＝0.1；能量轉換效率設置為：η＝1；噪聲功率設置為：發射機的發射功率設置為：p＝200；干擾功率設置為：pi＝100。如圖3所示，顯示了基于時間分割的中繼，在收集干擾能量和不收集干擾能量的情況下，系統速率r隨時隙分割系數α變化的仿真圖。可以看出，收集干擾能量的r-α曲線顯然高于不收集干擾能量的r-α曲線，說明收集干擾能量對系統性能的改善是有益的。

圖4是最優系統速率隨干擾功率變化的仿真圖。信道增益設置為：h＝1，g＝1；干擾系數設置為ξ＝0.1；能量轉換效率設置為：η＝1；噪聲功率設置為：發射機的發射功率設置為：p＝200。如圖4所示，顯示了基于時間分割的中繼，在收集干擾能量和不收集干擾能量的情況下，最優系統速率r^*隨干擾功率pi變化的仿真圖。可以看出，不收集干擾能量的最優系統速率為一個定值，收集干擾能量的r^*-pi曲線高于不收集干擾能量的r^*-pi曲線，并且，收集干擾能量的最優系統速率隨著干擾功率的增大而增大，說明收集干擾能量對系統性能的改善是有益的。

圖5是最優系統速率隨干擾系數變化的仿真圖。信道增益設置為：h＝1，g＝1；能量轉換效率設置為：η＝1；噪聲功率設置為：發射機的發射功率設置為：p＝200；干擾功率設置為：pi＝100。可以看出，收集干擾能量的r^*-ξ曲線高于不收集干擾能量的r^*-ξ曲線，并且，收集干擾能量和不收集干擾能量的最優系統速率都隨著干擾系數的增大而減小，說明收集干擾能量對系統性能的改善是有益的。

綜上所述，本發明涉及了swipt系統中無源中繼收集干擾能量來提高最優系統速率方法，該發明將有效降低具有無源中繼swipt系統的最優系統速率受干擾信號影響的程度。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式僅限于此，對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發明由所提交的權利要求書確定的專利保護范圍。