本發明涉及無線通信技術領域，尤其涉及一種基于無線能量傳輸的多用戶協作通信系統及資源分配方法。

背景技術：

隨著無線通信技術的迅猛發展，人們對無線通信網絡的覆蓋范圍和運行時間的要求與日俱增。為提高通信網絡的覆蓋率，基于中繼的協作通信是一種常用的技術方案。中繼的使用可以解決由于地理等限制而造成的通信雙方之間沒有直達路徑的問題，從而有效地提高通信網絡的覆蓋率。在無線通信過程中，射頻端的電磁波信號不僅攜帶信息，還同時攜帶能量，因此無線設備可以從射頻信號中補充能量。無線能量傳輸可以使無線設備獲得穩定可控的綠色能源，但在無線通信領域的研究和應用才剛剛開始。

在基于無線能量傳輸的通信系統中，為了延長能量受限的中繼節點的使用周期，目前的方案大多數都是假設通信源節點擁有恒定的能量供應而中繼通過無線能量傳輸從源節點補充能量，從而克服中繼使用周期受限的問題，如圖1所示。然而在實際無線通信系統中，源節點同樣也是能量受限的(特別是在無線傳感網中)，從這個角度來說，現有的通信方案具有明顯的不合理性。

此外，由于信道衰減，通過無線能量傳輸得到的能量往往會受到嚴重的衰減，若利用收集到的能量進行無線信息通信，往往會受到低速率和短距離的限制。

因此，如何充分考慮實際情況，充分利用無線能量的可傳遞性，以及采用合理的資源分配最大化系統通信容量，是本專利擬解決的問題。

技術實現要素：

為了克服現有技術存在的缺點與不足，本發明提供一種基于無線能量傳輸的多用戶協作通信方法及系統，有效地擴大了通信系統的覆蓋率和操作時間，通過中繼對無內嵌能量供應的源節點進行無線供電并轉發它們的信息，作為一種新的無線能量傳輸通信方法。

為解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：一種基于無線能量傳輸的多用戶協作通信方法，包括如下步驟：

S1、中繼向所有源節點廣播能量信號；

S2、源節點從接收到的電磁波信號中采集到能量后，在中繼的協助下，依次與目的節點通信。

進一步地，所述步驟S1，具體為：

S11、固定設置中繼進行無線能量傳輸的時間；

S12、中繼在固定的時間內向所有源節點廣播能量信號，同時所有源節點利用接收到的能量信號補充能量用于下一階段的信息發送。

進一步地，所述步驟S12中，中繼以峰值功率向所有源節點廣播能量信號。

進一步地，所述步驟S2，具體為：

S21、當無線能量傳輸完成后，中繼切換為無線信息轉發模式；

S22、源節點利用采集到的無線能量，在中繼的協助下依次與相應的目的節點進行無線信息通信。

進一步地，所述中繼采用時分模式在無線能量傳輸和無線信息轉發之間進行切換。

進一步地，所述中繼通過拉格朗日對偶法計算每對源節點和目的節點之間進行無線信息通信的時間，以及相應的中繼轉發功率。

本發明的另一目的是提供一種基于無線能量傳輸的多用戶協作通信系統，包括中繼、多個源節點以及多個相應的目的節點，所述中繼用于無線能量發射和無線信息通信轉發，所述源節點用于采集到的無線能量以及使用采集的無線能量發送無線信息，所述目的節點用于與源節點進行無線信息通信。

進一步地，所述中繼、源節點以及目的節點均包括單天線。

采用上述技術方案后，本發明至少具有如下有益效果：

1、本發明針對現有方案忽略源節點能量供應的限制，設計出一種新型的集合能量傳輸和信息轉發于一體的混合中繼方法，既可以使得沒有內嵌能量供應的源節點可以通過無線能量傳輸從中繼處采集能量，用以延長無線協作通信系統的使用周期，又可以通過中繼轉發信息來解決無內嵌能量供應的源節點通信速率低和通信距離短的問題，因而擁有廣泛的實際應用前景；

2、本發明針對新提出的系統方法，提出了一種基于時分的多用戶協作通信的最優資源分配方案，使得系統總速率最大化。

附圖說明

圖1為傳統的基于中繼輔助的無線攜能通信方法框架圖；

圖2為本發明一種基于無線能量傳輸的多用戶協作通信系統的框架圖；

圖3為本發明一種基于無線能量傳輸的多用戶協作通信方法的基于時分的無線能量傳輸和無線信息傳輸的時間分配圖；

圖4為本發明一種基于無線能量傳輸的多用戶協作通信方法的步驟流程圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互結合，下面結合附圖和具體實施例對本申請作進一步詳細說明。

如圖2所示，本發明提出的基于無線能量傳輸的新型多用戶協作通信系統，包括一個中繼、多個通信源節點以及多個相應的通信目的節點。所有節點都配備的是單天線。本發明在中繼處采用時分技術。

如圖3所示，所有節點都配備的是單天線。對于具有K(K>＝2)對“源-目的”節點對的上述系統，所述的工作流程可分為K+1個時間段，從第0個時間段開始，一直到第K個時間段結束。“源-目的”節點表示每對源節點和目的節點之間的關系。

如圖4所示，本發明提供的一種基于無線能量傳輸的多用戶協作通信方法，步驟包括：

步驟S101：在第0個時間段，處于能量準備過程，然后中繼以峰值功率向所有源節點廣播能量信號，與此同時所有源節點從接收到的射頻信號中采集能量從而補充能量；其特征在于，中繼以峰值功率廣播能量，使得在一定的傳輸能量的情況下，所使用的時間盡可能的小，相應地有更多的時間可以用來傳輸信息，從而提高系統總的速率。

步驟S102：當所有的源節點采集完能量后，便在中繼的協助下依次發送信息到相應的目的節點。根據拉格朗日對偶法，本發明分配給每對“源-目的”通信節點對相應的不同長度的時間段，并且得到了中繼在每個時間段轉發相應信息的發射功率；線性搜索用于無線能量傳輸的時間，找出最優的時間分配以最大化系統總速率。

本發明采用無線能量傳輸方案，所有的源節點由于能量受限或者沒有內嵌的能量供應，需要對中繼發射的能量信號進行采集，利用采集到的能量發射信息。本發明首先分配一段傳輸時間用于中繼對所有源節點廣播能量信號，同時所有源節點在這段時間內進行能量采集；再將剩余的傳輸時間分配給各個源節點傳輸信息給各自的目的節點。每一對“源-目的”節點對都在中繼的輔助下進行通信。本發明提出的方案中，中繼節點既可對源節點進行無線充電，又可轉發它們的信息，對能量受限和地理位置受限的無線網絡節點具有很好的實際工程應用前景。

盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解的是，在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種等效的變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同范圍限定。