[发明专利]一种基于瑞利信道能量收集的协作通信系统

权利要求书

1.一种基于瑞利信道能量收集的协作通信系统，包括源节点s、半双工中继节点r、目的节点d、能量源节点b以及窃听节点e，其特征在于：所述源节点s和所述目的节点d之间无直通链路，所述中继节点r接收所述源节点s的数据，并转发给所述目的节点d，所述中继节点r能量有限，从所述能量源节点b收集能量，所述中继节点收集能量结束后接收源节点s的数据，然后利用收集到的全部能量将收集到的信息解码转发给目的节点d，所述中继节点r完成一次数据传输整体时间为T，其中能量收集时间为αT，信息接收时间为(1-α)T/2，信息发射传输时间为(1-α)T/2，α表示时间分配因子，所述时间分配因子α按如下的步骤确定：

步骤一：确定中继节点收集能量：在第1时隙αT内，中继节点r收集能量源节点b的辐射能量，中继节点在αT时间内收集到的能量E_h可以表示为：E_h＝ηP_b|h_br|²αT，其中，η表示能量收集系统的转换效率，取值范围为0＜η＜1，实际大小取决于整流过程和能量采集电路；P_b为能量源节点b的平均发射功率；h_br为能量源b至中继节点r的信道增益，能量收集信道服从均值为0，方差为的瑞利分布；

步骤二：确定中继节点接收信号模型：第2时隙(1-α)T/2内，源节点s向中继节点r发送信息，中继节点r接收信号y_r可表示为：其中，P_s表示源节点的平均发射功率，h_sr为源节点s至中继节点r的信道增益，服从均值为0，方差为的瑞利分布，x_s为源节点发送的数据，且满足E{|x_s|²}＝1，n_r为中继节点接收到的带限加性高斯白噪声，n_r～N(0,N₀)，其中N₀表示噪声功率谱密度或方差；

步骤三：确定目的节点和窃听节点接收信号模型：在第3时隙(1-α)T/2内，中继节点r利用收集到的能量，采用解码转发协议(DF)协议，向目的节点d转发源节点s的信息，中继节点成功解码后，中继节点转发数据到目的节点，则目的节点接收到的信号y_d可表示为：其中，P_r为中继节点的平均转发功率，h_rd为中继节点r至目的节点d的信道增益，服从均值为0，方差为的瑞利分布，x_s为中继节点解码数据，其与源节点发送的数据相同，n_d为目的节点接收到的带限加性高斯白噪声，n_d～N(0,N₀)；中继节点在αT内收集的能量全部用在第3个时隙内转发数据，因此中继节点的平均转发功率为则目的节点接收信号可进一步表示为：与目的节点的分析过程类似，窃听节点e的接收信号可以表示为：式中，h_re为中继节点r至窃听节点e的信道增益，服从均值为0，方差为的瑞利分布，n_e为窃听节点接收到的带限加性高斯白噪声，n_e～N(0,N₀)；

步骤四：用系统的接收机信噪比SNR小于某信噪比阈值门限时发生中断的概率来描述通信系统的可靠性：当源节点s到中继节点r或者中继节点r到目的节点d传输不成功时都会发生中断，所以中断概率取决于两者中最小的一个；能量收集信道服从瑞利分布，中继节点r与目的节点d的接收机性能一致，则源节点s至目的节点d的中断概率为

推导可得

式中K₁(·)表示一阶修正的贝塞尔函数；

步骤五：计算高信噪比下的中断概率：x趋向于零的情况下，K₁(x)可以近似为其中Δ≈0.57721为一固定的常数，则目的节点的中断概率P_Rout可近似为

步骤六：利用Steffensen迭代法计算最佳的时间分配因子α_o，具体算法如下

其中f(x)为高SNR下的P_Rout。