CN102238685B - 无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法和设备。本发明的方法包括获取无线中继网络中各节点的能量价格以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息；根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，基于该节点的能量价格的目标函数值最小时所对应的功率分配；将与各节点在功率分配时的目标函数值中的最小值所对应的节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配。本发明的通信设备包括获取模块、第一确定模块和第二确定模块。本发明的方法和通信设备引入了各节点消耗能量的定价策略，由此能够兼顾能量的利用效率以及能量消耗的平衡性，从而能够增加无线中继网络的使用寿命。

Description

无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法和设备

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法和通信设备。

背景技术

中继技术由于兼顾了传统蜂窝网络和无中心分布对等网络这两种网络构架的特点，因而一方面能够对蜂窝中的“盲点”和“热点”区域的用户通过中继进行覆盖，从而降低无线发射功率，改善接收信号的品质，进而大大提高网络覆盖率和增加信道容量；另一方面与无中心分布对等网络技术相比，能够稳定网络结构，简单有效地进行管理，并且也可以简化协议设计。因此，应用中继技术的无线中继网络成为未来移动通信领域中最有前景的一种无线通信网络。

然而，由于中继往往是用来覆盖室内的通信盲区，对于运营商来说，布置中继往往比较困难，这就需要把中继的布置和维护交给个人或者第三方机构，中继节点可能由不同的服务商或个人提供。因此，很多种情况下无线中继网络中的中继节点由使用电池的用户终端来实现，电池电量少的中继节点不愿意用自己的有限资源(包括能量，时间，带宽)为其他用户无偿服务，网络寿命受到影响。此外，为了保证网络拓扑的稳定，以实现不间断的数据传输，也需要尽可能延长网络寿命。因此，无线中继网络面临的一个主要问题是如何有效地延长网络寿命。

通常地，当网络中的节点由于能量消耗完而失效时，网络拓扑会发生改变，整个网络数据传输功能会逐渐丧失，因此，网络寿命一般地定义为网络从开始工作到第一个节点消耗完能量所需要的时间。为了实现无线中继网络寿命的延长，一些方案将最小能量消耗(Minimum Energy，简称为“MIE”)策略、最大剩余能量(Maximum Residual Energy，简称为“MARE”)策略、最大剩余能量效率(Maximum Residual Energy Efficiency，简称为“MAEE”)策略应用于无线中继网络，但是这些方案仅仅局限于考虑某一方面指标的优化，不能有效地延长网络寿命，不能进而提高网络性能。

发明内容

为此，本发明实施例要解决的技术问题是提供无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法和通信设备，以兼顾能量利用效率的提高和节点能量消耗的平衡，从而有效地延长无线中继网络的使用寿命，提高网络性能。

为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供了一种无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法，该方法包括：

获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高；

根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，基于该节点的能量价格的目标函数值最小时所对应的功率分配；

基于各节点的功率分配以及能量价格，将与各节点在功率分配时的目标函数值中的最小值所对应的节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配。

另一方面，本发明实施例提供了一种用于无线中继网络的中继节点选择与功率分配的通信设备，该通信设备包括：

获取模块，用于获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高；

第一确定模块，用于根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，基于该节点的能量价格的目标函数值最小时所对应的功率分配；

第二确定模块，用于基于各节点的功率分配以及能量价格，将与各节点在功率分配时的目标函数值中的最小值所对应的节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配。

基于上述技术方案，本发明实施例通过基于能量价格的目标函数来确定中继节点的选择和功率的分配，由于本发明实施例中的能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高，由此源节点优先考虑剩余能量较多的节点作为中继节点，从而对于整个无线中继网络而言具有均衡消耗各节点能量的优点；另一方面，由于中继节点和源节点采用目标函数值最小时的功率分配，由此提高了节点的能量利用效率。因此，本发明实施例兼顾了节点协作传输中能量利用效率的提高和节点能量消耗的平衡，从而能够有效地延长无线中继网络的使用寿命，提高网络性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法的流程图；

图2示出了适用于本发明实施例的基于时分复用的协作传输方案的示意图；

图3示出了求解根据本发明实施例的功率分配的示意图；

图4示出了根据本发明另一实施例的无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法的流程图；

图5示出了在给定无线中继网络中分别采用根据本发明实施例的方法和现有方法的情况下，网络各节点剩余能量对比的示意图；

图6示出了在给定无线中继网络中分别采用根据本发明实施例的方法和现有方法的情况下，能量利用率对比的示意图；

图7示出了在给定无线中继网络中分别采用根据本发明实施例的方法和现有方法的情况下，网络寿命对比的示意图；

图8示出了在给定无线中继网络中分别采用根据本发明实施例的方法和现有方法的情况下，网络寿命对比的另一示意图；

图9示出了根据本发明实施例的用于无线中继网络的中继节点选择与功率分配的通信设备的结构示意图；和

图10示出了根据本发明另一实施例的用于无线中继网络的中继节点选择与功率分配的通信设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

首先结合图1来描述根据本发明实施例的无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法。

如图1所示，本发明实施例提供了一种无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法100，该方法包括：

S110，获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高；

S120，根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，基于该节点的能量价格的目标函数值最小时所对应的功率分配；

S130，基于各节点的功率分配以及能量价格，将与各节点在功率分配时的目标函数值中的最小值所对应的节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配。

当无线中继网络中用户设备需要向基站上传数据，或基站需要向用户设备下传数据，或无线中继网络中其它节点之间需要传输数据时，源节点可以获取网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高。随后，源节点基于各节点的能量价格以及各链路信息，对于每个节点而言，假设每个节点在被选择作为中继节点的情况下，分别地确定基于该节点的能量价格的目标函数值最小时所对应的功率分配，由此得到各节点的功率分配。此时，源节点根据确定的各节点的功率分配以及能量价格，将与各节点在功率分配时的目标函数值中的最小值所对应的节点确定为用于数据传输的中继节点，同时将该节点对应的功率分配确定为用于数据传输的功率分配。由此，源节点可以根据确定的中继节点和功率分配进行数据传输。

根据本发明实施例提供的无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法，首先对于各节点而言，基于能量价格的目标函数分别地确定各节点被选择作为中继节点时的功率分配，然后再基于确定的功率分配，确定各节点分别在功率分配时的目标函数值中的最小值，将该最小值所对应的节点确定为中继节点，同时与该节点对应的功率分配确定为用于数据传输的功率分配。由于本发明实施例中的能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高，由此源节点优先考虑剩余能量较多的节点作为中继节点，从而对于整个无线中继网络而言具有均衡消耗各节点能量的优点；另一方面，由于中继节点和源节点采用目标函数值最小时的功率分配，由此提高了节点的能量利用效率。因此，本发明实施例兼顾了节点协作传输中能量利用效率的提高和节点能量消耗的平衡，从而能够有效地延长无线中继网络的使用寿命，提高网络性能。

具体地，在S110中，源节点获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高。

该源节点可以是网络侧设备，该网络设备包括但不限于基站、无线网络控制器、无线网络子系统等；源节点也可以是用户设备，该用户设备包括但不限于移动电话、便携式计算机、个人数字助理、便携式游戏机和便携式多媒体机等；或者源节点也可以是其它通信设备。

源节点可以从自身的存储器中获取所需的各节点的能量价格和链路信息，或以本领域公知的方法从各节点中获取所需的能量价格和链路信息。当然，源节点可以先从自身的存储器中获取所需的各节点的能量信息，或以本领域公知的方法从各节点中获取所需的能量信息，然后基于能量信息计算所需的能量价格，从而获得所需的能量价格。

例如源节点可以通过广播发送请求消息，各节点可以响应该请求消息，以将自身的能量信息/能量价格以及与邻居节点之间链路的链路信息提供给源节点，当然各节点可以分别地将能量信息/能量价格和链路信息提供给源节点。该请求消息可以是专门定义的消息，也可以是现有消息的扩展，该请求消息还可以是其它现有的用于请求传输路径的控制消息，利用这些控制消息的保留字段来承载需要传送给源节点的能量信息/能量价格和链路信息。

为了延长网络的使用寿命，必须对剩余能量少的节点的能量定一个高一点的价格，反之对剩余能量多的节点的能量定一个低一点的价格，即各节点的能量价格确定为使得节点的剩余能量越少该节点的能量价格越高，节点的剩余能量越多该节点的能量价格越低，由此能够均衡节点能量的消耗。

在本发明实施例中，各节点的能量价格可以确定为与节点的初始总能量与剩余能量的比值的幂函数成正比。优选地，各节点的能量价格可以确定为与节点的初始总能量与剩余能量的比值的一阶或二阶幂函数成正比。例如，节点的能量价格ρ_j可以如下式所示：

${\mathrm{\ρ}}_j={\mathrm{\ρ}}_0{\left(\frac{E_j^{\mathrm{tot}}}{E_j^{\mathrm{rem}}}\right)}^m,m=\mathrm{1,2}---\left(1\right)$

式中，E_j ^tot表示中继第j个节点(包括中继节点和源节点)的初始总能量，E_j ^rem表示数据传输前第j个节点的剩余能量，ρ₀为第j个节点的初始能量价格，m为1或2。

由此，在本发明的一个实施例中，获取无线中继网络中各节点的能量价格包括：获取各节点的初始总能量和剩余能量，并计算出各节点的能量价格；或者直接获取各节点的能量价格。

在本发明实施例中，链路信息是与路径上相邻节点之间的链路有关的信息。该链路信息可以包括链路的复信道衰落系数或信道增益、链路带宽、链路两端节点及其邻居节点。当然该链路信息也可以包括源节点与目的节点链路以及中继节点与目的节点链路这两个链路的复信道衰落系数或信道增益以及链路带宽。通过链路信息可以知道该链路的相关参数，也可以知道该链路的传输质量等。

在S120中，源节点根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，基于该节点的能量价格的目标函数值最小时所对应的功率分配。

在本发明实施例中，基于某个节点的能量价格的目标函数可以是关于该节点和源节点的能量价格的线性函数，也可以是关于该节点和源节点的能量价格的二次函数、幂函数等。优选地，基于某个节点的能量价格的目标函数是关于该节点和源节点的能量价格的线性函数。例如，该目标函数可以是关于源节点和该节点所消耗的能量成本总和的函数，其中节点的能量成本是该节点所消耗的能量与该节点的能量价格的乘积。

另一方面，在一些情况下，对于选择不同的中间节点作为中继节点而言，源节点消耗的功率和能量价格几乎不变，或改变很小，此时，基于某个节点的能量价格的目标函数也可以是仅关于节点能量价格的线性函数，也可以是仅关于该节点能量价格的二次函数、幂函数等。例如，如果数据传输速率要求很高，那么对于源节点而言，源节点都将以最大功率进行数据传输，而不论选择哪个中间节点作为中继节点，此时源节点可以基于仅关于假定被选择作为中继节点的该节点的能量价格的目标函数来确定功率分配。由于中继节点和源节点采用目标函数值最小时的功率分配，由此提高了节点的能量利用效率。

在S130中，源节点基于各节点的功率分配以及能量价格，将与各节点在功率分配时的目标函数值中的最小值所对应的节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配。

在本发明实施例中，源节点可以首先基于所确定的各节点在被选择作为中继节点时的功率分配，分别计算出各节点在功率分配时的目标函数值，然后再从所有目标函数值中选取最小值，将与该最小值所对应的节点确定为中继节点，同时与该节点对应的功率分配确定为用于数据传输的功率分配。当然，源节点也可以先计算出一个节点在功率分配时的目标函数值，然后与其它节点在功率分配时的目标函数值进行比较，直至找到最小的目标函数值，由此确定中继节点的选择和功率分配。此外，也可以用本领域公知的其它方法来确定最小的目标函数值，由此确定中继节点的选择和功率分配。

需要说明的是，对于某一节点而言，该节点在功率分配时的目标函数值已经是关于该节点的能量价格的目标函数的最小值，因此，对于源节点确定的各节点在功率分配时的目标函数值中的最小值，该最小值即为对于所有中间节点而言在各种功率情况下目标函数的最小值的最小值。

由于本发明实施例中的能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高，由此源节点优先考虑剩余能量较多的节点作为中继节点，从而对于整个无线中继网络而言具有均衡消耗各节点能量的优点；另一方面，由于中继节点和源节点采用目标函数值最小时的功率分配，由此提高了节点的能量利用效率。因此，本发明实施例兼顾了节点协作传输中能量利用效率的提高和节点能量消耗的平衡，从而能够有效地延长无线中继网络的使用寿命，提高网络性能。

下面将参考图2详细说明无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法。

图2示出了适用于本发明的基于解码转发协议的协作传输方案。如图2所示，假定无线中继网络由一个源节点S、一个目的节点D以及K个分布在不同位置的中继节点R(k)(k＝1…K)构成。中继集合以Ω表示，且Ω中的每个中继可以协作源节点S的数据传输。假定在每个数据块传输期间，信道条件保持稳定。如图2(c)所示，协作传输机制基于时分复用，分配给数据块的传输时隙长度为T_b，且被分为两个阶段，每个阶段的长度为T_b/2。在阶段1(如图2(a)所示)，源节点向所有中继和目的节点广播数据。在阶段2(如图2(b)所示)，源节点S会从中继集合Ω中选择一个最优中继R^opt进行协作传输。即被选择的中继对接收到的信号进行解调和信道解码，再对估计得到的信号重新信道编码，调制后发送到目的节点。目的节点对两个阶段收到的信号进行合并，得到最终的估计值。

由此，有两个问题需要得到解决。第一，如何从中继集合Ω中选择最优的中继R^opt。第二，在所需数据传输速率I_b恒定的情况下，源节点S和中继R^opt的发射功率应该设定为多少。

以x_S表示源节点S待发送的数据符号，h_S，D，h_S，R(k)，h_R(k)，D分别表示S→D链路，S→R(k)链路以及R(k)→D链路的复信道衰落系数。此外，以W表示中继网络的传输带宽。不失一般性，假定S→D链路，S→R(k)链路以及R(k)→D链路上的高斯白噪声满足n_S，D，n_S，R(k)，n_R(k)，D～CN(0，σ²)。此外，分别以 和表示S→D链路、S→R(k)链路以及R(k)→D链路上每增加单位发射功率所增加的信噪比。

假定源节点的数据块的所需传输速率为I_b(比特/秒)，源节点需要从中继集合Ω中选择一个机会中继R(k)实现协作传输并决定源节点S和中继节点R(k)的发射功率p_S，p_R(k)。在第一个阶段，源节点S向目的节点D和Ω中的中继节点以功率p_S广播符号x_S，于是可以得到目的节点D和中继R(k)接收到的符号如下所示：

$y_{S,D}=\sqrt{p_S}{h}_{S,D}{x}_S+n_{S,D}---\left(2\right)$

$y_{S,R\left(k\right)}=\sqrt{p_S}{h}_{S,R\left(k\right)}{x}_S+n_{S,R\left(k\right)}---\left(3\right)$

然后，中继R(k)对接收到的信号进行解调，解码，对估计得到的符号重新编码，调制，在第二个阶段以p_R(k)发射功率进行发射。

在目的节点(D)，通过对来自源节点和中继R(k)的信号进行最大比合并后得到最后的数据。整个链路的可达速率由S→R(k)链路以及S→D和R(k)→D链路的信噪比(Signal to Noise Rate，简称为“SNR”)的最小值决定。即如下式所示：

$I_b\≤\frac{1}{2}W{\log }_2(1+\min \{{\mathrm{\λ}}_{S,R\left(k\right)}{p}_S,{\mathrm{\λ}}_{S,D}{p}_S+{\mathrm{\λ}}_{R\left(k\right),D}{p}_{R\left(k\right)}\left\}\right)---\left(4\right)$

根据(4)式，为了保证数据传输速率I_b，我们可以得到建立有效的S→R(k)链路的源节点S的发射功率的下界p_S ^low，即：

$p_S^{\mathrm{low}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{S,R\left(k\right)}}(2^{2I_b/W}-1)---\left(5\right)$

此外，不失一般性，我们假定源节点和Ω中所有中继节点的最大发射功率满足

为了选择中继节点且确定功率分配，可以将用户看成一个买家，通过向源节点和中继节点购买能量，完成数据块的传输，并在保持传输速率I_b的同时尽可能降低消耗的成本。源节点(S)和Ω中所有中继节点都可以看成卖家，根据自身剩余的能量的多少对能量进行定价。在完成数据块传输的时隙内，源节点和中继节点所消耗的能量分别为e_S＝p_ST_b/2和e_R(k)＝p_R(k)T_b/2，于是可以得到成本函数如下所示：

$C_{S,R\left(k\right)}(p_S,p_{R\left(k\right)})=\frac{1}{2}{T}_b({\mathrm{\ρ}}_S{p}_S+{\mathrm{\ρ}}_{R\left(k\right)}{p}_{R\left(k\right)})---\left(6\right)$

式(6)中，ρ_S、ρ_R(k)分别为源节点(S)和中继节点R(k)的能量价格，并且假设节点的定价策略满足式(1)，即各节点的能量价格可以确定为与节点的初始总能量与剩余能量的比值的一阶或二阶幂函数成正比。

以表示当中继R(k)被选择时取得最小成本的最优功率分配解，于是可以得到最优的中继节点如下所示：

$R^{\mathrm{opt}}=\arg \underset{R\left(k\right)}{\min }{C}_{S,R\left(k\right)}(p_S^{*},p_{S\left(k\right)}^{*})---\left(7\right)$

由此，求解中继节点R(k)的最优功率分配问题可以通过数学建模确定为一个典型的线性规划问题，式(8)和(9)定义了问题的优化目标和需满足的约束条件：

$(p_S^{*},p_{R_k}^{*})=\arg \underset{p_S,p_{R_k}}{\min }({\mathrm{\ρ}}_S{p}_S+{\mathrm{\ρ}}_{R_k}{p}_{R_k})---\left(8\right)$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{S,D}{p}_S+{\mathrm{\λ}}_{R\left(k\right),D}{p}_{R\left(k\right)}\≥2^{2I_b/W}-1\\ p_S^{\mathrm{low}}\≤p_S\≤p_{\max }\\ 0\≤p_{R\left(k\right)}\≤p_{\max }\end{array}\right.---\left(9\right)$

下面将参考图3描述根据式(8)和(9)的最优功率分配的求解过程。

首先，为了描述方便定义三个相关函数，如式(10)、(11)和(12)所示：

$f(x,y)=\frac{W}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_{S,D}x+{\mathrm{\λ}}_{R\left(k\right),D}y)---\left(10\right)$

$h_1\left(x\right)=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{S,D}}(2^{2I_b/W}-1-{\mathrm{\λ}}_{R\left(k\right),D}x)---\left(11\right)$

$h_2\left(x\right)=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{R\left(k\right),D}}(2^{2I_b/W}-1-{\mathrm{\λ}}_{S,D}x)---\left(12\right)$

如图3所示，直线S_i(i＝1，2，3)分别为不同传输速率I_b取值下的信噪比(SNR)等值线图中阴影区域为矩形ABCD与S_i的右上半平面的交集，由此可见阴影区域为式(8)定义的优化问题的可行域。

由图3可见，I_b越大，直线S_i位置越靠上，阴影区域即可行域的面积越小。定义两个比值参数η₁＝ρ_S/ρ_R(k)，η₂＝λ_S，D/λ_R(k)，D，直线C₁和C₂分别为当η₁≥η₂和η₁＜η₂时的成本等值线ρ_Sp_S+ρ_R(k)p_R(k)＝2C_S，R(k)/T_b，由图4可见，直线C₁和C₂越靠下，成本C_S，R(k)越低。则容易知道，从下往上移动直线C₁和C₂，与可行域阴影区域的第一个交点即为最优的功率分配解(p_S ^*，p_R(k) ^*)。

当I_b＞f(p_max，p_max)或者时，由图3可见，可行域的面积为零，这意味着不存在满足式(8)的有效解，因此，在这种情况下，R(k)将不可能为用户所选择。

当时，由图3可见，此时可行域为整个矩形ABCD，最佳功率分配点为C，但是由于这意味着中继R(k)将不可能为用户所选择。

当且时，由图3可见，此时阴影部分的面积不为零，于是可以得到最佳的功率分配解。在此情况下进行如下讨论：

A：当η₁≥η₂时

在这种情况下，如图3所示，此时成本等值线C₁的斜率的绝对值大于信噪比(SNR)等值线S_i的斜率的绝对值，这表明源节点S的能量价格过高，用户消耗源节点的能量要尽可能的少。具体地，当时，信噪比(SNR)等值线为S₁，最佳功率分配点d₁位于线段AB之上；当时，SNR等值线为S₂，最佳功率分配点d₃位于线段AC之上。于是可以得到最优功率分配向量如式(13)所示：

$(p_S^{*},p_{R\left(k\right)}^{*})=\left\{\begin{array}{cc}(h_1\left(p_{\max }\right),p_{\max })& f(p_S^{\mathrm{low}},p_{\max })<I_b\&le;f(p_{\max },p_{\max })\\ (p_S^{\mathrm{low}},h_2\left(p_S^{\mathrm{low}}\right))& f(p_S^{\mathrm{low}},0)\&le;I_b\&le;f(p_S^{\mathrm{low}},p_{\max })\end{array}\right.({\mathrm{\&eta;}}_1\&GreaterEqual;{\mathrm{\&eta;}}_2)---\left(13\right)$

B：当η₁＜η₂时

在这种情况下，如图3所示，此时成本等值线C₂的斜率的绝对值小于信噪比(SNR)等值线S_i的斜率，当f(p_max，0)≤I_b≤f(p_max，p_max)时，SNR等值线为S₂，最佳功率分配点如d₄所示，位于线段BD之上；当时，SNR等值线为S₃，最佳功率分配点如d₆所示，位于线段CD之上。于是可以得到最优功率分配向量如式(14)所示：

$(p_S^{*},p_{R\left(k\right)}^{*})=\left\{\begin{array}{cc}(p_{\max },h_2\left(p_{\max }\right))& f(p_{\max },0)<I_b\&le;f(p_{\max },p_{\max })\\ (h_2\left(0\right),0)& f(p_S^{\mathrm{low}},0)\&le;I_b\&le;f(p_{\max },0)\end{array}\right.({\mathrm{\&eta;}}_1<{\mathrm{\&eta;}}_2)---\left(14\right)$

于是，当无线中继网络中某个通信设备(设为源节点)需要发送数据速率需求为I_b的业务时，源节点获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及源节点与目的节点和中间节点与目的节点这两个链路的信道增益。

假设每个中间节点被选择作为中继节点，那么对于每个中间节点而言，源节点获取源节点与目的节点链路的信道增益中继节点与目的节点链路的信道增益源节点的能量价格ρ_S、中继节点的能量价格ρ_R(k)、无线中继网络的传输带宽w以及数据速率需求I_b。此外，源节点计算其与邻居节点所需的满足I_b的最小功率，即得到建立有效的S→R(k)链路中源节点S的最小发射功率p_S ^low，即并且源节点还根据自身能力得到其最大的发送功率p_max。由此可以根据式(13)和式(14)直接确定各节点在被选择作为中继节点时的功率分配。

接着，源节点根据各节点的功率分配以及能量价格，基于式(7)确定最优的中继节点，由此确定与该中继节点对应的功率分配作为用于数据传输的功率分配。

由于本发明实施例中的能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高，由此源节点优先考虑剩余能量较多的节点作为中继节点，从而对于整个无线中继网络而言具有均衡消耗各节点能量的优点；另一方面，由于中继节点和源节点采用目标函数值最小时的功率分配，由此提高了节点的能量利用效率。因此，本发明实施例兼顾了节点协作传输中能量利用效率的提高和节点能量消耗的平衡，从而能够有效地延长无线中继网络的使用寿命，提高网络性能。此外，通过上述参考图3对求解过程进行分析可知，本发明实施例能够通过分布式计算容易地得到功率分配的闭式解，由此还具有耗费计算资源少、实现代价低的优点。因此，根据本发明实施例的方法还具有良好的实用性能和低成本的优势。

下面将参考图4来描述根据本发明另一实施例的无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法。

如图4所示，根据本发明另一实施例的无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法200包括：

S210，获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高；

S220，根据各节点的能量价格以及链路信息，确定无线中继网络的各节点中能够被选择作为中继节点的候选节点；

S230，根据各候选节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个候选节点在被选择作为中继节点的情况下，源节点和该候选节点所消耗的能量成本总和最小时所对应的功率分配；

S240，基于各候选节点的功率分配以及能量价格，将与各候选节点在功率分配时的能量成本总和中的最小值所对应的候选节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配。

在本发明实施例中，源节点在获取能量价格以及链路信息之后，对无线中继网络中的各节点进行初选，淘汰不能被选择作为中继节点的节点，得到可能作为中继节点的候选节点。然后再对于各候选节点而言，基于能量价格的目标函数分别地确定各候选节点被选择作为中继节点时的功率分配，再基于确定的功率分配以及能量价格，确定各候选节点分别在功率分配时的能量成本总和中的最小值，将该最小值所对应的候选节点确定为中继节点，同时与该候选节点对应的功率分配确定为用于数据传输的功率分配。

本发明实施例一方面通过基于能量价格的目标函数来确定中继节点的选择和功率的分配，由于本发明实施例中的能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高，由此源节点优先考虑剩余能量较多的节点作为中继节点，从而对于整个无线中继网络而言具有均衡消耗各节点能量的优点；并且由于中继节点和源节点采用能量成本总和最小时的功率分配，由此提高了节点的能量利用效率。因此，本发明实施例兼顾了节点协作传输中能量利用效率的提高和节点能量消耗的平衡，从而能够有效地延长无线中继网络的使用寿命，提高网络性能。另一方面，本发明实施例通过对无线中继网络中各节点进行筛选，去除不能被选择作为中继节点的节点，从而能够避免对这些节点进行后续的计算处理，能够大大节省计算资源，提供系统处理速度，从而进一步提高无线中继网络性能。

在S220中，根据各节点的能量价格以及链路信息，源节点可以基于链路有效性、数据传输需求、能量成本节省准则等多种方法来确定无线中继网络的各节点中能够被选择作为中继节点的候选节点。

例如，源节点可以计算其与邻居节点所需的满足I_b的最小发射功率p_S ^low，即并且源节点还根据自身能力得到其最大的发送功率p_max。此时，可以将计算得到的源节点最小发射功率p_S ^low与其最大的发送功率p_max进行比较，当时，源节点与该节点建立的S→R(k)链路不是有效链路，不能进行有效的数据传输，即该节点不可能被选择作为中继节点。

又例如，根据各节点的能量价格以及链路信息，源数据先计算出函数值f(p_max，p_max)和f(p_S ^low，0)，然后再将上述函数值与待发送数据块要求的传输速率I_b进行比较，由此确定能够被选择作为中继节点的候选节点。如图3所示，当I_b＞f(p_max，p_max)时，SNR等值线S位于整个矩形区域上方，可行域的面积为零，这意味着数据传输速率要求太高，此时该节点不可能被用户选择作为候选节点；当时，SNR等值线S位于整个矩形区域下方，此时可行域为整个矩形ABCD，最佳功率分配点为C，但是此时中继节点的功率为这意味不需要该节点，由此该节点也不可能被用户选择作为候选节点。

再例如，源节点可以分别计算出直接传输和通过中间节点进行传输所耗费的成本，如果通过中间节点进行传输所耗费的能量成本更大，那么完全没有必要通过该中间节点进行协作传输，由此也可以对无线中继网络中的各节点进行筛选，确定能够被选择作为中继节点的候选节点。

当然，源节点也可以基于上述其中一种方法或几种方法的组合，或基于本领域普通技术人员公知的一些方法来确定无线中继网络的各节点中能够被选择作为中继节点的候选节点，由此能够有效地延长无线中继网络的使用寿命，并进一步提高无线中继网络的性能。

此外，方法200的其它操作和/或步骤可以参考上述方法100中的相应部分，为避免重复，在此不再赘述。

为了验证本专利策略在兼顾提高能量利用效率和平衡节点能量消耗方面的特性，发明人进行了如下的仿真实验，将根据本发明实施例的最小能量成本(Minimum Cost，简称为“MIC”)策略与现有技术中的最小能量消耗(MIE)策略，最大剩余能量(MARE)策略以及最大剩余能量效率(MAEE)策略进行了比较。在下面的仿真实验中，设定的无线中继网络考虑如下场景，在一个矩形区域内均匀分布25个节点，相邻节点间距为50米，节点之间的信道为叠加高斯白噪声的瑞利衰落信道，不失一般性，假定所有信道的噪声功率谱密度N₀＝10^-14(W/Hz)。设定参数时隙长度T_b＝10^-3(s)，带宽W＝1M(Hz)，每个节点的初始能量为5(J)，最大发射功率为0.1(W)。假定每个时隙内，都只有一个随机选择的源节点发送信息，目的节点分别考虑随机选择和固定为中间节点这两种情况。目的节点为中间节点的情况类似于UE通过协作接入基站，其它情况为UE之间的通信。

图5为将目的节点设定为中间节点，数据传输速率设定为2.5M(bps)，网络运行时间T＝1000(s)时，各种策略下除目标节点之外的各个节点的剩余能量分布对比，图中横轴表示节点索引号，纵轴表示剩余能量焦耳(J)。由图可见，MIE策略可实现每次传输所需能量最小，但不能平衡每个节点的能量消耗；MARE策略和MAEE策略可以实现平衡每个节点的能量消耗，但能量利用效率不高。与其它策略相比，MIC策略可实现提高能量利用效率和平衡各节点的能量消耗的有效折衷，因而有利于实现整体网络寿命的延长。

图6示出了在给定无线中继网络中分别采用根据本发明实施例的方法和现有方法的情况下，能量利用率对比的示意图，其中以每焦耳(J)能量可以传输的比特数作为能量利用率衡量的标准，横轴表示数据传输速率(bps(比特/秒))，纵轴表示能量利用率(bps/J)。由图6可见，本文提出的MIC策略的能量利用率与能量利用率最高的MIE策略接近，并高于基于MARE策略和MAEE策略的能量利用率。

为了更直观地观察各种策略对延长无线中继网络寿命所起的作用，发明人在数据传输速率分别取不同值的情况下，对采取不同策略的无线中继网的网络寿命进行了评价。图7示出了目的节点为随机选择时的网络寿命对比示意图，图8示出了目的节点固定为中央节点时的网络寿命对比示意图。这里的网络寿命定义为网络从开始工作到第一个节点消耗完能量所需要的时间。由图7和图8所示，采用MIC策略的网络寿命明显长于采用其他策略的网络寿命，特别在目的节点固定为中央节点时，MIC策略的优越性表现的更为明显，这是由于这种情况下，网络中节点的数据传输负担不均衡，因而能够更好地体现MIC策略在兼顾提高能量利用效率和平衡节点能量消耗方面的综合优势。例如，当数据传输速率为1M(bps)时，采用MIC策略的网络的寿命比采用直接传输的网络的寿命要长10倍以上，即使与性能最接近的MAEE策略相比，寿命也要长20％以上。

由此更加充分地说明了根据本发明实施例的无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法，兼顾了节点协作传输中能量利用效率的提高和节点能量消耗的平衡，从而能够有效地延长无线中继网络的使用寿命，提高网络性能。

上文详细描述了根据本发明实施例的无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法，下面将结合图9和图10详细描述根据本发明实施例的用于无线中继网络的中继节点选择与功率分配的通信设备。

图9示出了根据本发明实施例的用于无线中继网络的中继节点选择与功率分配的通信设备300的结构示意图。

该通信设备300包括获取模块310、第一确定模块320和第二确定模块330，其中，获取模块310用于获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高；第一确定模块320用于根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，基于该节点的能量价格的目标函数值最小时所对应的功率分配；第二确定模块330用于基于各节点的功率分配以及能量价格，将与各节点在功率分配时的目标函数值中的最小值所对应的节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配。

获取模块310、第一确定模块320和第二确定模块330的上述以及其它操作和/或功能可以参考上述方法100和/或200中的相应部分，为了避免重复，在此不再赘述。

根据本发明实施例的通信设备通过基于能量价格的目标函数来确定中继节点的选择和功率的分配，由于该能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高，由此源节点优先考虑剩余能量较多的节点作为中继节点，从而对于整个无线中继网络而言具有均衡消耗各节点能量的优点；另一方面，由于中继节点和源节点采用目标函数值最小时的功率分配，由此提高了节点的能量利用效率。因此，本发明实施例兼顾了节点协作传输中能量利用效率的提高和节点能量消耗的平衡，从而能够有效地延长无线中继网络的使用寿命，提高网络性能。

在本发明实施例中，获取模块310还可以用于获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为与节点的初始总能量和剩余能量的比值的幂函数成正比。在本发明另一实施例中，获取模块310还可以用于获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为与节点的初始总能量和剩余能量的比值的一阶或二阶幂函数成正比。此外，在本发明再一实施例中，第一确定模块320还可以用于根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，源节点和该节点所消耗的能量成本总和最小时所对应的功率分配。

图10示出了根据本发明再一实施例的用于无线中继网络的中继节点选择与功率分配的通信设备400的结构示意图。

该通信设备400包括获取模块410、第三确定模块440、第一确定模块420和第二确定模块430，其中，获取模块410用于获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高；第三确定模块440用于根据各节点的能量价格以及链路信息，确定无线中继网络的各节点中能够被选择作为中继节点的候选节点；第一确定模块420用于根据各候选节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个候选节点在被选择作为中继节点的情况下，源节点和该候选节点所消耗的能量成本总和最小时所对应的功率分配；第二确定模块430用于基于各候选节点的功率分配以及能量价格，将与各候选节点在功率分配时的能量成本总和中的最小值所对应的候选节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配。

获取模块410、第三确定模块440、第一确定模块420和第二确定模块430的上述以及其它操作和/或功能可以参考上述方法100和/或200中的相应部分，为了避免重复，在此不再赘述。

根据本发明实施例的通信设备通过基于能量价格的目标函数来确定中继节点的选择和功率的分配，由于该能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高，由此源节点优先考虑剩余能量较多的节点作为中继节点，从而对于整个无线中继网络而言具有均衡消耗各节点能量的优点；并且由于中继节点和源节点采用能量成本总和最小时的功率分配，由此提高了节点的能量利用效率。因此，本发明实施例兼顾了节点协作传输中能量利用效率的提高和节点能量消耗的平衡，从而能够有效地延长无线中继网络的使用寿命，提高网络性能。另一方面，根据本发明实施例的通信设备通过对无线中继网络中各节点进行筛选，去除不能被选择作为中继节点的节点，从而能够避免对这些节点进行后续的计算处理，能够大大节省计算资源，提供系统处理速度，从而进一步提高无线中继网络性能。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例中描述的各方法步骤和单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各实施例的步骤及组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或步骤可以用硬件、处理器执行的软件程序，或者二者的结合来实施。软件程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内。

Claims (11)

1.一种无线中继网络的中继节点选择与功率分配的方法，其特征在于，包括：

获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高；

根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，基于该节点的能量价格的目标函数值最小时所对应的功率分配；

基于各节点的功率分配以及能量价格，将与各节点在功率分配时的目标函数值中的最小值所对应的节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高，包括：

获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为与节点的初始总能量和剩余能量的比值的幂函数成正比。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高，包括：

获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为与节点的初始总能量和剩余能量的比值的一阶或二阶幂函数成正比。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述获取无线中继网络中各节点的能量价格包括：

获取各节点的初始总能量和剩余能量，并计算出各节点的能量价格；或者

直接获取各节点的能量价格。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，基于该节点的能量价格的目标函数值最小时所对应的功率分配，包括：

根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，源节点和该节点所消耗的能量成本总和最小时所对应的功率分配。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：根据各节点的能量价格以及链路信息，确定无线中继网络的各节点中能够被选择作为中继节点的候选节点，

其中，所述根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，源节点和该节点所消耗的能量成本总和最小时所对应的功率分配，包括：根据各候选节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个候选节点在被选择作为中继节点的情况下，源节点和该候选节点所消耗的能量成本总和最小时所对应的功率分配；

所述基于各节点的功率分配以及能量价格，将与各节点在功率分配时的目标函数值中的最小值所对应的节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配，包括：基于各候选节点的功率分配以及能量价格，将与各候选节点在功率分配时的能量成本总和中的最小值所对应的候选节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配。

7.一种用于无线中继网络的中继节点选择与功率分配的通信设备，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为使得节点的剩余能量越少，该节点的能量价格越高；

第一确定模块，用于根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，基于该节点的能量价格的目标函数值最小时所对应的功率分配；

第二确定模块，用于基于各节点的功率分配以及能量价格，将与各节点在功率分配时的目标函数值中的最小值所对应的节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配。

8.根据权利要求7所述的通信设备，其特征在于，所述获取模块用于获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为与节点的初始总能量和剩余能量的比值的幂函数成正比。

9.根据权利要求8所述的通信设备，其特征在于，所述获取模块用于获取无线中继网络中各节点的能量价格，以及各节点与邻居节点之间链路的链路信息，其中所述能量价格确定为与节点的初始总能量和剩余能量的比值的一阶或二阶幂函数成正比。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的通信设备，其特征在于，所述第一确定模块用于根据各节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个节点在被选择作为中继节点的情况下，源节点和该节点所消耗的能量成本总和最小时所对应的功率分配。

11.根据权利要求10所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备还包括：第三确定模块，用于根据各节点的能量价格以及链路信息，确定无线中继网络的各节点中能够被选择作为中继节点的候选节点，

其中，第一确定模块用于根据各候选节点的能量价格以及链路信息，分别确定每个候选节点在被选择作为中继节点的情况下，源节点和该候选节点所消耗的能量成本总和最小时所对应的功率分配；

第二确定模块用于基于各候选节点的功率分配以及能量价格，将与各候选节点在功率分配时的能量成本总和中的最小值所对应的候选节点和功率分配分别确定为用于数据传输的中继节点和功率分配。