CN103188783B - 一种数据中继方法、系统和中继节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中继方法，包括：A、源节点将源信息以广播的方式发送给中继节点；B、第一中继节点收到所述源信息以后，对所述源信息信号以放大转发的方式传递给目标节点和第二中继节点；C、第二中继节点对所述放大后的源信息信号和由源节点发送的源信息信号进行联合解码，并将解码后的信号以译码转发的方式传递给目标节点；D、目标节点对第一中继节点和第二中继节点发送的两个源信息信号进行联合解码并获取到源信息。本发明能够根据各节点的信道情况，以更好地获得信道增益，减少协作通信的能量消耗。此外，本发明还公开了一种数据中继系统和中继节点。

Description

一种数据中继方法、系统和中继节点

技术领域

本发明公开了一种数据中继方法，尤其涉及一种用于减少各个节点间的能量损耗的数据中继方法。

背景技术

在物联网应用中，传感网通过部署大量传感器节点来进行信息感知，这些大量部署的传感器节点通常由电池供电且可用电量较少。

因此，如何降低节点的能量消耗对延长节点的工作时间，保证传感网的网络覆盖至关重要。另一方面，由于传感网的部署环境通常较恶劣，导致节点间的通信链路条件较差，因此，提高节点的通信效率，保证链路的通信质量对传感网信息的采集汇聚至关重要。

协作通信可通过多节点协作、模拟多天线的通信方式来减低节点通信能量消耗，保证节点通信质量。

目前，用于传感网的协作通信方式主要集中于协作中继和虚拟多进多出的通信方式。在这些协作通信方式中，可通过选择最优的协作中继节点，以及引入能量控制的方法，来降低通信能量消耗保证通信质量。但在一些情况下，可选的协作节点未必能够在最优化的区域，这将影响协作通信在降低能耗上的优势。

此外，在目前的协作通信方式中，通常在源节点和目标节点间选取一个或多个中继节点参与协作通信，这些节点的选取主要基于即时或稳态的通信链路情况进行选取。按照中继节点的工作方式不同，可将协作通信分为：协作中继通信和虚拟多进多出通信的方式，如图1a和图1b所示。

在协作中继的方式下，协作节点接收来自源节点的信息报文，然后以译码转发或信号放大转发的方式进行协作转发，目标节点将对源节点和协作节点的信息报文进行联合解码；而在虚拟多进多出的方式下，多个协作节点在收到源节点的信息报文后，将以虚拟多天线的方式对报文进行编码转发，目标节点对多路报文进行解码以获取源信息报文。

在衰退信道中，例如，常见的瑞利衰退信道中，这两种协作通信方式将可获得与多天线系统类似的分级增益。

因此，与多跳通信相比，在通信距离大于一定的值时，协作通信的能耗将会更少。此外，可以对各节点进行不同的能量控制，以更大地降低协作通信的能耗。例如，在高信噪比的情况下，采用最小化协作通信的中断概率或最大化目标节点接收信号信噪比的方式，优化各节点的发射功率。另外，参与协作通信的节点数目也可基于这些目标条件进行优化。

但是，这些协作通信采用相应的能量控制策略时，只能够保证整体通信能量消耗的最优化，无法同时使各节点都能有相对均衡的能量消耗，因此可能导致网络中个别节点能量消耗过快而影响网络的连通性。

此外，在虚拟多进多出的协作通信方式中，大多要求协作节点位置能够相对集中，才能较好地优化通信能量消耗，而传感节点的部署往往是随机的，节点的集中部署不利于信息的分布采集，因此，将影响虚拟多进多出协作通信的能量效率。

总体来说，现有技术中的协作通信方法具有以下缺点：

1.现有的协作通信往往是以最小化中断概率(outageprobability)或最大化目标节点接收信号信噪比为目的，而不是以最小化能量消耗为目的。

2.现有的协作通信在采用最小化中断概率或最大化目标节点接收信号信噪比等能量控制时，无法保证在优化整体能量消耗的同时，均衡各个节点的能量消耗。

3.现有的协作通信方式在需要两个或多个节点参与协作时，往往要求协作节点的位置尽量集中，才可保证通信的整体能量效率。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点，提供了一种数据中继方法和系统，本发明在进行协作通信的时候，能够降低对协作节点的位置要求，并且，该方法能够最优化协作通信整体能量消耗。

根据本发明的第一目的，本发明提供了一种数据中继方法，其中，该方法包括下列步骤：

A、源节点将源信息以广播的方式发送给中继节点；

B、第一中继节点收到所述源信息以后，对所述源信息以放大转发的方式传递给目标节点和第二中继节点；

C、第二中继节点对所述放大后的源信息和由源节点发送的源信息进行联合解码，并将解码后的源信息以译码转发的方式传递给目标节点；

D、目标节点对第一中继节点和第二中继节点发送的两个源信息进行联合解码并获取到最终的源信息。

进一步地，优选的方法是，所述步骤C和步骤D中，所述第二中继节点和目标节点基于最大比合并的方式对收到的多个源信息进行联合解码。

优选的方法是，步骤A～C中，进一步还包括：

获取协作中继过程中的通信误码率以及信道信噪比，最小化源节点、第一中继节点和第二中继节点的发射功率。

优选的方法是，进一步包括：

根据下列表达式对源节点、第一中继节点和第二中继节点的信号发射功率进行功率控制：

$P_s=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2})}^2+\frac{3}{{4P}_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

$P_{r_1}=\max \{N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}},N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}\}$

$P_{r_2}=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1d}}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2})}^2+\frac{3}{4P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

其中，N₀B是噪声功率谱密度，表示在信道带宽B内的噪声功率N；

σ² _sr1、σ² _sr2、σ² _r1r2、σ² _r1d、σ² _r2d表示各个节点之间的通信链路平均信道衰减强度；

P_e1表示在源节点s、第一中继节点r1和第二中继节点r2组成的协作中继过程中的通信误码率；

P_e2表示在第二中继节点r2、第一中继节点r1和目标节点d组成的协作中继过程中的通信误码率。

本发明采取了上述技术方案以后，该方法能够在提供较好的通信能量效率的同时，放宽对协作节点位置的限制；并且，本申请在多次的协作中继过程中，基于上述能量控制方法，能能够保证各个节点整体的最小化能量消耗，该方法还比较容易保证各节点的能量消耗相对均衡。

根据本发明的又一目的，本发明提供了一种数据中继系统，包括：

源节点，用于将源息信以广播的方式发送给中继节点；

第一中继节点，用于收到所述源信息以后，对所述信息以放大转发的方式传递给目标节点和第二中继节点；

第二中继节点，用于对所述放大后的源信息和由源节点发送的源信息进行联合解码，并将解码后的源信息以译码转发的方式传递给目标节点；

目标节点，用于对第一中继节点和第二中继节点发送的两个源信息进行联合解码并获取到最终的源信息。

其中，进一步地，所述第二中继节点和目标节点，对信号进行联合解码采取的是最大比合并的方式。

其中，进一步地，所述源节点、第一中继节点和第二中继节点，还用于获取各个节点间的平均信道衰减强度和不同中继过程中的通信误码率要求，并最小化源节点、第一中继节点和第二中继节点的发射功率。

进一步地，根据下列表达式对源节点、第一中继节点和第二中继节点的发射功率P_s、P_r1、P_r2进行功率控制：

$P_s=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2})}^2+\frac{3}{{4P}_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

$P_{r_1}=\max \{N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}},N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}\}$

$P_{r_2}=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1d}}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2})}^2+\frac{3}{4P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

其中，N₀B是噪声功率谱密度，表示在信道带宽B内的噪声功率N；

σ² _sr1、σ² _sr2、σ² _r1r2、σ² _r1d、σ² _r2d表示各个节点之间的通信链路平均信道衰减强度；

P_e1表示在源节点s、第一中继节点r1和第二中继节点r2组成的协作中继过程中的通信误码率；

P_e2表示在第二节点r2、第一中继节点r1和目标节点d组成的协作中继过程中的通信误码率。

本发明在采取了上述技术方案以后，各个节点能够保证节点的能量消耗最小化，又可以减少对各个协作节点的位置限制，增强了物联网应用中网络部署的灵活性，具有较好的技术效果。

根据本发明的又一目的，本发明提供了一种源节点，包括：

发送单元，用于将源息信以广播的方式发送给中继节点和目的节点；

功率控制单元，用于按照下列表达式进行源节点的发射功率控制：

$P_s=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{\mathrm{eThr}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rd}}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{\mathrm{eThr}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rd}}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2})}^2+\frac{3}{4P_{\mathrm{eThr}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sr}}^2}}}{2}$

其中，N₀B是噪声功率谱密度，表示在信道带宽B内的噪声功率N；

P_eThr是本次协作中继通信中所要求的通信误码率；σ² _sd、σ² _rd、σ² _sr是源-目标节点、中继节点-目标节点、源-中继节点链路的平均信道衰减强度。

根据本发明的又一目的，本发明提供了一种中继节点，包括：

接收单元，用于接收源节点以广播形式发送的源信息；放大转发单元，用于对所述源信息进行放大转发；

功率控制单元，用于基于下列表达式进行发射功率的控制：

$P_r=N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{\mathrm{eThr}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rd}}^2}};$

其中，N₀B是噪声功率谱密度，表示在信道带宽B内的噪声功率N；

P_eThr是本次协作中继通信中所要求的通信误码率；σ² _sd、σ² _rd是源-目标节点、中继节点-目标节点链路的平均信道衰减强度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细的描述，以使得本发明的上述优点更加明确。

图1a是现有技术中的协作通信方法的流程示意图；

图1b是现有技术中基于虚拟多进多出通信的流程示意图；

图2是本发明数据中继方法的实施例的示意图；

图3是本发明数据中继方法的实施例的节点信号流向示意图；

图4a是一个实施例中的节点水平拓扑示意图；

图4b是一个实施例中的节点对角对称拓扑示意图；

图5a是节点水平拓扑下的普通协作通信的功率示意图；

图5b是节点水平拓扑下本发明数据中继方法的发射功率示意图；

图6是节点对角对称拓扑下的本发明数据中继方法的发射功率示意图；

图7是本发明数据中继系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明；

方法实施例一：

其中，图2是本发明数据中继方法的实施例的示意图；

根据本发明具体实施例，本发明数据中继方法，包括下列步骤：

S101：源节点将源息信以广播的方式发送给中继节点；

S102：第一中继节点收到所述源信息以后，对所述信息以放大转发的方式传递给目标节点和其他中继节点；

S103：第二中继节点对所述放大后的源信息和由源节点发送的源信息进行联合解码，并以译码转发的方式传递给目标节点；

S104：目标节点收到所述译码转发的信息后，将其与步骤S102中收到的信息进行联合解码并获取到源信息。

图3是本发明数据中继方法中实施例的节点信号流向示意图；

其中，如图3所示，本发明数据中继方法包含了三个时间段的信号传递过程，其中，第一个时间段，发生在源节点s和第一中继节点r1和第二中继节点r2之间；第二个时间段中，发生在第一中继节点r1、第二中继节点r2和目标节点之间；第三个时间段，发生在第二中继节点r2和目标节点d之间。

根据上述流程，可以将从源节点到目标节点的信号传递，可以理解为两个协作中继过程。

其中，第一个协作中继过程在S101中、第二个协作中继过程在S102～S104中，并且，可以理解，第一协作中继过程由源节点S、第一中继节点r1、第二中继节点r2组成，其中，第一中继节点r1起到了协作节点的作用；

第二协作中继过程由第二中继节点r2、第一中继节点r1和目标节点d组成，这是一个等效协作中继过程。

具体来说，由于目标节点d接收到来自于第一中继节点r1的放大转发信号，且此时第一中继节点r1不需要转发第二中继节点r2的译码转发信号，并且，第二中继节点r2的译码转发信号可以视为是源节点发送的信号，因此，可以等效成第一中继节点r1在该中继过程中也起到了协作节点的作用。

由于上述多个节点参与协作通信，因此，该方法能够放宽现有技术对协作通信中各节点位置的限制；并且，所述各个协作节点的位置并不需要局限于最优化的区域，即能够获取较为理想的数据传送效果；并且，在该种方式下，对各个节点的能量控制较为容易。

方法实施例二：

其中，在本实施例中，针对本申请的功率控制方法进行详细地描述，即本申请在进行功率控制时，具体包括：

获取协作中继过程中的通信误码率以及信道信噪比，最小化源节点、第一中继节点和第二中继节点的发射功率。

具体来说，在一个实施例中，根据下列表达式对源节点、第一中继节点和第二中继节点的信号发射功率进行功率控制：

$P_s=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2})}^2+\frac{3}{{4P}_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

$P_{r_1}=\max \{N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}},N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}\}$

$P_{r_2}=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1d}}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2})}^2+\frac{3}{4P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

其中，N₀B是噪声功率谱密度，表示在信道带宽B内的噪声功率N；

σ² _sr1、σ² _sr2、σ² _r1r2、σ² _r1d、σ² _r2d表示各个节点之间的通信链路平均信道衰减强度；

P_e1表示在源节点s、第一中继节点r1和第二中继节点r2组成的协作中继过程中的通信误码率；

P_e2表示在第二节点r2、第一中继节点r1和目标节点d组成的协作中继过程中的通信误码率。

以下对上述表达式的原理和计算方式进行详细说明。

以包含四个节点的数据中继通信过程进行说明，其中，根据具体实施例，在一个单独的协作中继通信过程之中，本发明的功率控制优化目标如下所描述：

minf＝P_s+P_r

subjecttoP_e＝P_eThr

其中，P_eThr是协作中继通信中所要求的通信误码率，即保证最小整体发射功率、最小化通信误码率。

其中，源-目标节点、源-中继节点与中继-目标节点的平均信噪比分别为与协作中继通信在瑞利衰退信道中的误码率Pe可以近似成下列的表达式：

$P_e\≈\frac{3}{16}{(1+{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{sd}})}^{-1}{\left(\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{sr}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{rd}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{sr}}+{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{rd}}}\right)}^{-1}$

，具体来说，进行相关简化后，例如，采用拉格朗日法进行简化，源节点和中继节点的最优化发送功率可分别近似为以下的表达式：

$P_s=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{\mathrm{eThr}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rd}}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{\mathrm{eThr}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rd}}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2})}^2+\frac{3}{4P_{\mathrm{eThr}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sr}}^2}}}{2}$

$P_r=N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{\mathrm{eThr}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rd}}^2}}$

其中，

N₀B是噪声功率谱密度，表示在信道带宽B内的噪声功率N；

P_eThr是本次协作中继通信中所要求的通信误码率；

σ² _sdσ² _rdσ² _sr是各个节点链路的平均信道衰减强度。

以上公式是本申请在进行功率控制所依据的主要表达式，由此，本申请中对于各个协作通信过程中的各个节点进行能量控制如下：

具体到本申请之中，针对第一个中继过程，对于源节点s、第一中继节点r1、第二中继节点r2和目标节点d，其中，

针对源节点s的发射功率，获取相应的源-目标节点、源-中继节点与中继-目标节点r平均信道信噪比分别为与以及，在本次通信中所要求的通信误码率P_e1，按照上述表达式，获取到源节点s的发射功率如下：

$P_s=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2})}^2+\frac{3}{{4P}_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

更进一步地，对于第二个中继过程，此时，源-中继节点链路由源节点到中继节点r1的链路代替，因此，此时，中继节点r2的最优化发射功率如下：

$P_{r_2}=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1d}}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2})}^2+\frac{3}{4P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

其中，具体来说，Pe2是第二个协作中继阶段所要求的通信误码率。

其中，针对第一中继节点r1，为了保证数据中继的通信误码率，中继节点r1的最优化发射功率将采用两个协作中继阶段的最大化值的最大值，具体如下：

$P_{r_1}=\max \{N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}},N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}\}$

根据上述方法，获取到最终的第一中继节点r1的发射功率。

并且，第一和第二个协作中继阶段的通信误码率和整体的数据中继的通信误码率之间的关系如下：P_e≤P_e1+P_e2。

本申请采取了上述能量控制方法以后，由于是基于每一个节点之间的通信链路的误码率和通信链路的特点进行发射功率分配，进而能够保证各个节点整体的最小化能量消耗，并且，该种方法还能够容易对各个节点的发射功率进行均衡控制，具有很好的技术效果。

以下对本申请中的各个节点的发射功率均衡方法进行描述。

其中，为了便于对本方案提出的数据中继方法和简单的协作中继跳传方法进行比较，我们分别研究以下的两种节点的拓扑结构：水平对称拓扑和对角对称拓扑，如图4a和图4b所示。

其中，在水平对称拓扑结构中，中继节点r1和r2并且对称分布于源和目标节点的轴线两边；

在对角对称拓扑中，中继节点r1和r2分处在源和目标节点的轴线两边，同时分别与源节点和目标节点具有相同的距离和倾角。

其中，设定源节点与目标节点的距离为L时，对于一种拓扑的中继节点距离比(distanceratio)为dx_r1/L；并且，假设节点间的信号是瑞利衰退信道，且节点间的信道的状态在每次数据报文发送时均会变化。

首先考虑水平对称拓扑，在本方案中的能量控制方法下，图5a～5b给出了本方案提出的数据中继方法与普通协作中继方法在数据中继时，各节点的发射功率及总体发射功率的归一化比较，其中，横坐标是距离比(distanceratio)，纵坐标是发射功率(transmitpower)。

从上述图5a～5b中可以发现，本方案的提出的数据中继方法可获取最优的总体发射功率，该方案的最优点出现在中继节点位于源与目标节点的中间处，且在这种情况下，各节点的发射功率都很均衡。

其中，当节点的拓扑结构是对角对称时，图6给出了本方案提出的数据中继方法中各节点的发射功率和总体发射功率情况。

其中，这种对角对称拓扑下，两个中继节点分别离源和目标节点最近时，可获得最优的发射功率，且维持各节点发射功率的均衡。

因此，本方案提出的数据中继方法可在协作节点处在不同拓扑结构下，实现节点发射功率的优化和均衡配置，并且，在本申请的数据中继方法中，各节点的近似最优化发射功率可以以解析式的形式给出，无需进行迭代计算，从而降低了对节点计算资源的要求，减少传感网部署的成本。

系统实施例一：

以下结合附图对本发明的装置进行详细说明；

其中，图7是本发明数据中继系统的结构示意图；如图7所示，所述数据中继系统，具体包括：

源节点，用于将源息信以广播的方式发送给中继节点；

第一中继节点，用于收到所述源信息以后，对所述信息以放大转发的方式传递给目标节点和其他中继节点；

第二中继节点，用于对所述放大后的源信息和由源节点发送的源信息进行联合解码，并以译码转发的方式传递给目标节点；

目标节点，用于收到所述译码转发的信息后，将其与从源节点中收到的信息进行联合解码并获取到源信息。

其中，所述第二中继节点和目标节点中，对信号进行联合解码采取的是最大比合并的方式。

并且，所述源节点、第一中继节点和第二中继节点，还用于获取各个节点间的平均信道衰减强度和不同中继过程中的通信误码率要求，最小化源节点、第一中继节点和第二中继节点的发射功率。

其中，在实施例中，根据下列表达式对源节点、第一中继节点和第二中继节点的发射功率进行功率控制：

$P_s=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2})}^2+\frac{3}{{4P}_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

$P_{r_1}=\max \{N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}},N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}\}$

$P_{r_2}=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1d}}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2})}^2+\frac{3}{4P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

其中，N₀B是噪声功率谱密度，表示在信道带宽B内的噪声功率N；

σ² _sr1、σ² _sr2、σ² _r1r2、σ² _r1d、σ² _r2d表示各个节点之间的通信链路平均信道衰减强度；

P_e1表示在源节点s、第一中继节点r1和第二中继节点r2组成的协作中继过程中的通信误码率；

P_e2表示在第二节点r2、第一中继节点r1和目标节点d组成的协作中继过程中的通信误码率。

进一步地参照附图对各个节点进行详细描述，其中，根据该实施例，所述源节点，包括发送单元，用于将源息信以广播的方式发送给中继节点；

功率控制单元，用于基于上述发射功率的表达式进行功率发射，具体来说，所述源节点的发射功率根据以下的表达式获取：

$P_s=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2})}^2+\frac{3}{{4P}_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}.$

其中，所述第一中继节点，具体包括：

接收单元，用于接收源节点以广播形式发送的源信息；放大转发单元，用于对所述源信息进行放大转发；功率控制单元，用于基于下列表达式进行发射功率的控制：

$P_r=N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{\mathrm{eThr}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rd}}^2}};$

其中，N₀B是噪声功率谱密度，表示在信道带宽B内的噪声功率N；

P_eThr是本次协作中继通信中所要求的通信误码率；σ² _sd、σ² _rd是源-目标节点、中继节点-目标节点链路的平均信道衰减强度。

并且，在该实施例中，所述功率控制单元，还用于获取多个协作中继过程中或者中继过程中的发射功率，并选取一个最大的发射功率，具体如下：

$P_{r_1}=\max \{N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}},N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}\}$

其中，所述第二中继节点，具体包括：

联合解码单元，用于对接收到的源信息进行联合解码；译码转发单元，用于对解码后的信号进行译码转发。

其中，所述联合解码单元，用于对接收到的源信息进行最大比合并的联合解码。

并且，第二中继节点还包括：功率控制单元，用于按照下列的表达式进行功率控制：

$P_{r_2}=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1d}}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2})}^2+\frac{3}{4P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

其中，所述目标节点，具体包括：

接收单元，用于接收所述第一中继节点和第二中继节点的上述放大信号与上述解码转发后信号；联合解码单元，用于对收到的两个信号进行联合解码而获取到源信息。

本实施例的装置具有前述方法实施例任一的优点，即本实施例中的各个节点可以减少对节点的位置限制；

并且，各个协作节点的位置并不需要局限于最优化的区域，即能够获取较为理想的数据传送效果，由此增强了物联网应用中网络部署的灵活性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种数据中继方法，其特征在于，包括：

A、源节点将源信息以广播的方式发送给中继节点；

B、第一中继节点收到所述源信息以后，对所述源信息以放大转发的方式传递给目标节点和第二中继节点；

C、第二中继节点对所述放大后的源信息和由源节点发送的源信息进行联合解码，并将解码后的源信息以译码转发的方式传递给目标节点；

D、目标节点对第一中继节点和第二中继节点发送的两个源信息进行联合解码并获取到最终的源信息；

其中，步骤A～C中，进一步还包括：

获取各个节点间的平均信道衰减强度和不同中继过程中的通信误码率要求，最小化源节点、第一中继节点和第二中继节点的发射功率；

根据下列表达式对源节点和第一中继节点的发射功率进行功率控制：

$P_s=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2})}^2+\frac{3}{4P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

$P_{r_1}=max\{N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}},N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}\}$

其中，N₀B是噪声功率谱密度，表示在信道带宽B内的噪声功率N；

表示各个节点之间的通信链路平均信道衰减强度；

P_e1表示在源节点s、第一中继节点r1和第二中继节点r2组成的协作中继过程中的通信误码率；

P_e2表示在第二中继节点r2、第一中继节点r1和目标节点d组成的协作中继过程中的通信误码率。

2.根据权利要求1所述的数据中继方法，其特征在于，

所述步骤C和步骤D中，所述第二中继节点和目标节点基于最大比合并的方式对收到的多个源信息进行联合解码。

3.根据权利要求1所述的数据中继方法，其特征在于，进一步包括：

根据下列表达式对第二中继节点的发射功率进行功率控制：

$P_{r_2}=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1d}}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2})}^2+\frac{3}{4P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}.$

4.一种数据中继系统，其特征在于，包括：

源节点，用于将源信息以广播的方式发送给中继节点；

第一中继节点，用于收到所述源信息以后，对所述信息以放大转发的方式传递给目标节点和第二中继节点；

第二中继节点，用于对所述放大后的源信息和由源节点发送的源信息进行联合解码，并将解码后的源信息以译码转发的方式传递给目标节点；

目标节点，用于对第一中继节点和第二中继节点发送的两个源信息进行联合解码并获取到最终的源信息；

所述源节点、第一中继节点和第二中继节点，还用于获取各个节点间的平均信道衰减强度和不同中继过程中的通信误码率要求，最小化源节点、第一中继节点和第二中继节点的发射功率；

根据下列表达式对源节点和第一中继节点的发射功率进行功率控制：

$P_s=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2})}^2+\frac{3}{4P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}$

$P_{r_1}=max\{N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e1}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_1{r}_2}^2}},N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}\}$

其中，N₀B是噪声功率谱密度，表示在信道带宽B内的噪声功率N；

表示各个节点之间的通信链路平均信道衰减强度；

P_e1表示在源节点s、第一中继节点r1和第二中继节点r2组成的协作中继过程中的通信误码率；

P_e2表示在第二中继节点r2、第一中继节点r1和目标节点d组成的协作中继过程中的通信误码率。

5.根据权利要求4所述的数据中继系统，其特征在于，

所述第二中继节点和目标节点，对信号进行联合解码采取的是最大比合并的方式。

6.根据权利要求4所述的数据中继系统，其特征在于，根据下列表达式对第二中继节点的发射功率进行功率控制：

$P_{r_2}=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_2}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1d}}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{r_{1}d}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2})}^2+\frac{3}{4P_{e2}{\mathrm{\σ}}_{r_{2}d}^2{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{sr}}_1}^2}}}{2}.$

7.一种源节点，其特征在于，包括：

发送单元，用于将源息信以广播的方式发送给中继节点和目的节点；

功率控制单元，用于按照下列表达式进行源节点的发射功率控制：

$P_s=N_{0}B\frac{\sqrt{\frac{3}{16P_{eThr}{\mathrm{\σ}}_{sd}^2{\mathrm{\σ}}_{rd}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{sd}^2}+\sqrt{{(\sqrt{\frac{3}{16P_{eThr}{\mathrm{\σ}}_{sd}^2{\mathrm{\σ}}_{rd}^2}}-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{sd}^2})}^2+\frac{3}{4P_{eThr}{\mathrm{\σ}}_{sd}^2{\mathrm{\σ}}_{sr}^2}}}{2}$

其中，N₀B是噪声功率谱密度，表示在信道带宽B内的噪声功率N；

P_eThr是本次协作中继通信中所要求的通信误码率；σ² _sd、σ² _rd、σ² _sr是源-目标节点、中继节点-目标节点、源-中继节点链路的平均信道衰减强度。

8.一种中继节点，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收源节点以广播形式发送的源信息；放大转发单元，用于对所述源信息进行放大转发；

功率控制单元，用于基于下列表达式进行发射功率的控制：

$P_r=N_{0}B\sqrt{\frac{3}{16P_{eThr}{\mathrm{\σ}}_{sd}^2{\mathrm{\σ}}_{rd}^2}}$

其中，N₀B是噪声功率谱密度，表示在信道带宽B内的噪声功率N；

P_eThr是本次协作中继通信中所要求的通信误码率；σ² _sd、σ² _rd是源-目标节点、中继节点-目标节点链路的平均信道衰减强度。