基于中继选择的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法

摘要

本发明公开了一种基于中继选择的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，该协议包括：在发送端，源节点向目的节点广播发送数据包，等待来自目的节点的反馈信息。在接收端，目的节点根据接收到的信息进行检测，如果正确接收该信息，目的节点则会广播确认信号ACK，源节点接收到该信号以后则继续传输下一个新的数据包，否则目的节点则会广播非确认信号NACK。此时，部署在发送端与接收端之间的M个中继组成的中继网络则根据自己的接收情况(正确与否)参与到该数据包的传输过程中，本发明选取正确解码的中继中到目的节点信噪比最大的中继参与重复传输。

说明书

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域中的中继协作传输协议，特别涉及一种基于 中继选择的SWIPT(信能同传)中继网络中ARQ协议的实现方法。

背景技术

中继协作通信是利用分布式单天线终端间的可用空间分集(spatial diversity) 的一种有效策略。由于无线中继网络中中继节点的自然分布特性，在资源受限 或大规模的中继网络中可以明显提高无线通信系统的性能。但当源节点发送给 目的节点的数据成功解码时，此时如果再中继就显得多余了，考虑到中继阶段 要占用信道的一部分带宽，增强型中继又或者称为协作ARQ协议被提了出来， 希望取得较好的频谱效率。

在能量约束的无线中继网络，例如无线传感器网络中，节点通常配有固定 的能量供给装置，例如，电池。如此，在充电或者更换电池不方便的场景中， 中继网络的生命时间就会受到限制。从自然环境，如太阳能、风能等收集能量 给中继网络提供了新的能源供应方式。除了这些常用的能源，从射频信号中收 集能量吸引了越来越多的注意，因为收集的能量多少易于控制。基于信能同传 通信的概念，信息和能量的同时传输被提出。接着，两种实用的接收机结构被 设计了出来，分别叫做时间切换(TS)结构和功率分配(PS)结构。信能同传通信自 然而然的被应用到了中继网络，在中继网络中中继节点从源节点的射频信号中 收集能量并使用收集到的能量将源节点的信息转发给目的节点。那么，选择一 个或多个合适的中继节点对于提高系统的性能是非常重要的。然而对于能量受 限的中继网络，大部分的研究都集中在中继节点收集能量的情况，到目前为止， 还没有专门为带反馈信息的SWIPT无线中继网络设计的中继选择协议。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供了基于中继选择的 SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，与传统传输方式相比，该方法可以有 效的提高系统的性能。

为达到上述目的，本发明通过如下的技术方案予以实现：

基于中继选择的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，包括以下步骤：

1)在发送端，源节点首先向网络中的中继节点及目的节点广播所要发送的 数据包，并等待来自目的节点的反馈信息，反馈信息为确认信息ACK或非确认 信息NACK；

2)在接收端，目的节点根据接收到的数据包进行信息检测，如果信息检测 正确，则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，若否，则向源节点和中继节 点广播非确认信息NACK；

3)在由M个能够进行能量收集的中继组成的无线中继网络中，中继采用解 码-转发方式，若中继接收到来自目的节点广播的确认信息ACK，则进行初始化， 即擦除接收到的一切信息和收集到的能量，能量恢复到初始值零；否则在正确 解码的中继中选取一个中继进行重复传输数据包的操作；其中，M>1。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，在接收端，目的节点根据信息检测 正确与否，若信息检测正确，目的节点则向源节点和中继节点广播确认信息 ACK，此时源节点将传输下一个新的数据包；否则，则向源节点和中继节点广 播非确认信息NACK，进入由中继参与的重复传输阶段。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，若源节点和中继节点接收到的信息 是非确认信息NACK，则ARQ协议被激活，此协议的具体实施步骤如下：

31)各个中继节点采用的是基于功率分流架构的能量收集模式，每个中继 节点都采用相同的功率分流比值，在由M个中继节点组成的网络中，中继节点 根据事先已经确定的功率分流比率ρ接收到的信息进行解码，其中，0≤ρ≤1；

32)待全部中继经过解码后，中继网络分为两部分，一部分是由不能正确 解码的中继组成，另一部分是由能够正确解码的中继组成的集合；

33)在能够正确解码的中继组成的集合中，中继将接收的能量作为本次发 送信息所需的能量，选取能够正确解码的中继组合中，中继节点到目的节点的 瞬时信噪比最大的中继节点参与到重新传输过程，在此规定重新传输次数为1， 即选取的中继只能重复传输一次，此后若目的节点仍无法正确接收，则丢弃此 时的数据包，源节点则开始下一个新的数据包的传输。

本发明进一步的改进在于，若该中继网络没有能够正确解码的中继，则没 有由中继参与的重新传输过程。

相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本发明基于中继选择的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，该方法 采用的是带有反馈信息的通信系统，也即根据目的节点的反馈信息来判断是否 中继参与到此次的信息传输中，与传统的中继网络传输而言，可提高频谱效率； 另外，本系统下，能量有限的中继网络收集能量并用收集到的能量进行传输， 中继是自给自足式的，因此也就不需要更换电池，特别是对于处于恶劣环境(有 毒、峡谷等)中。将二者结合，既可以提高系统的频谱效率，也可以降低系统 的能量消耗。

附图说明

图1为本发明基于中继选择的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法的 流程图；

图2为本发明中ARQ传输系统的模型框图；

图3为本发明中信能同传中继的PS架构图；

图4为本发明中仿真性能图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

假设网络中包括一个源节点S，一个目的节点D，和M个中继节点R,h_k为 第k个中继节点的前向链路的信道状态信息，g_k为第k个中继节点的后向链路 的信道状态信息。

参见图1至图3，本发明基于中继选择的SWIPT中继网络中ARQ协议的实 现方法，包括以下步骤：

1)在发送端，源节点首先向网络中的中继节点及目的节点广播所要发送的 数据包，并等待来自目的节点的反馈信息，反馈信息为确认信息ACK或非确认 信息NACK；

2)在接收端，目的节点根据接收到的数据包进行信息检测，如果信息检测 正确，则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，若否，则向源节点和中继节 点广播非确认信息NACK；

3)在由M个能够进行能量收集的中继组成的无线中继网络中，中继采用解 码-转发方式，若中继接收到来自目的节点广播的确认信息ACK，则进行初始化， 即擦除接收到的一切信息和收集到的能量，能量恢复到初始值零；否则在正确 解码的中继中选取一个或者多个中继进行重复传输数据包的操作；其中，M>1

其中，上述步骤2)中，在接收端，目的节点根据信息检测正确与否，若信 息检测正确，目的节点则向源节点和中继节点广播确认信息ACK，此时源节点 将传输下一个新的数据包；否则，则向源节点和中继节点广播非确认信息 NACK，进入由中继参与的重复传输阶段。

其中，上述步骤3)中，若源节点和中继节点接收到的信息是非确认信息 NACK，则进行如下步骤：

采用基于中继选择的ARQ协议，所述协作节点的确定具体包括以下步骤：

31)各个中继节点采用的是基于功率分流架构的能量收集模式，每个中继 节点都采用相同的功率分流比值，在由M个中继节点组成的网络中，中继节点 根据事先已经确定的功率分流比率ρ接收到的信息进行解码，其中，0≤ρ≤1； 源节点以固定功率P_s发送信息，发送的信号为功率归一化的s，那么第k个中继 节点接收到的信号与接收能量分别为：

$y_{\mathrm{rk}}=\sqrt{1-\rho }\sqrt{P_S}{h}_{k}s+\sqrt{1-\rho }{n}_{a,r}+n_{c,r}$

$E_k=\mathrm{\eta \rho }{P}_S{\left|h_k\right|}^{2}T/2=\rho P_s{\left|h_k\right|}^{2}T/2;(\eta =1)$

其中，n_a,r为中继节点的天线噪声，n_c,r为中继节点处射频信号转化为基带 信号产生的噪声；η为能量收集电路的转换效率，不妨设为1，如图2所示T为 一个时隙的长度；

32)待全部中继经过解码后，中继网络分为两部分，一部分是由不能正确 解码的中继组成，另一部分是由能够正确解码的中继组成的集合；

成功解码的中继中第k个中继的发送功率为

$P_{r,k}=\frac{E_k}{T/2}=\rho P_S{\left|h_k\right|}^2$

成功解码的中继中第k个中继到目的节点的瞬时信噪比为

${\gamma }_{D,k}=\frac{P_{r,k}{\left|g_k\right|}^2}{{{\sigma }^2}_{a,b}+{{\sigma }^2}_{c,b}}=\frac{\rho P_s{\left|h_k\right|}^2{\left|g_k\right|}^2}{{{\sigma }^2}_{a,b}+{{\sigma }^2}_{c,b}}$

其中，σ²_a,d为目的节点处天线噪声的功率，σ²_c,d为目的节点处射频信号 转化为基带信号产生的噪声功率；

33)在能够正确解码的中继组成的集合中，中继将接收的能量作为本次发 送信息所需的能量，选取可正确解码的中继组合中，中继节点到目的节点的瞬 时信噪比最大的中继节点参与到重新传输过程，在此规定重新传输次数为1，即 选取的中继只能重新传输一次，此后若目的节点仍无法正确接收，则丢弃此时 的数据包，源节点则开始下一个新的数据包的传输。考虑一种极端情况，若该 中继网络没有能够正确解码的中继，则没有由中继参与的重新传输过程。

仿真实验和效果分析

仿真模型参数为：中继个数M＝4，源节点的传输速率R＝1bits/sec/Hz，中继 节点和目的节点引入噪声的功率都为1/2，信道参数λ_sd＝λ_h＝λ_k＝1。

仿真结果分析，通过仿真得到的不同发送功率下的最优功率分流比值，如 下表所示：

根据上表的参数仿真了本发明提出的中断概率性能曲线，并分别仿真了无 中继节点及源节点重复传输的中断概率性能曲线，从图4中能够看出本发明中 提出ARQ协议的实现方法能够明显提高系统的性能。