CN103188785B - 一种物联网无线中继接入策略中功率分配的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种物联网无线中继接入策略的功率分配优化方法，包括：在物联网局部区域内多个物联网节点通过无线方式共用一个节点接入公共蜂窝网络的应用场景中，采用一种衰减信道容量模型，以信道容量最大为优化方法，对场景中的多接入信道和多节点中继信道进行功率分配联合优化。由于控制设备相对简单，本发明提出的这种功率优化方法，具有快速简洁的优势，满足物联网上述场景中功率优化的要求。

Description

一种物联网无线中继接入策略中功率分配的优化方法

技术领域

本发明属于物联网中的无线组网技术领域，涉及一种物联网无线中继接入策略中功率分配的优化方法。

背景技术

作为下一代信息技术的发展方向之一，物联网的发展将迎来重大机遇。同时，随着第三代移动通信网络(以下简称3G)的普及，其高带宽特性和完善的覆盖特性，成为物联网一种良好的接入网络。因此，物联网同公共蜂窝网络的结合，对物联网和公共蜂窝网的发展，都具有积极意义。

物联网的特点是拥有大量分散的节点(例如传感器、读卡器)和有限的能量供应。若大量采用节点直接接入公共蜂窝网络的方式，由于数量庞大，不仅带来成本的急剧上升，也造成较大的能耗。将无线中继技术和短距离无线技术相结合，可有效解决上述问题。

短距离无线通信通常指100米以内的通信技术。由于物联网的节点相对集中在一个或若干个局部区域，所以，在一个局部区域内采用短距离无线链路，共用一个接入设备(以下称公共接入节点)接入公共蜂窝网络是可行的。

如图1所示：在物联网中，首先将数据分为两类，对持续时间短的数据，由物联网节点直接发送到接入节点(以下称直连信道)；对于数据量大，持续时间长的数据，采取中继技术，在多个中继节点之间通过转发发送到接入节点(以下称中继信道)。由于中继技术和短距离无线技术带来的终端造价低，能耗小，数据传输速率高等优点，使得数据分类中继策略能有效降低整个网络的成本和能耗，增强系统性能。同时，也有利于物联网各节点间数据通信，减少上传数据量。

在该应用场景中，在公共接入节点处，存在由多个直连信道和多个中继信道共同接入公共接入节点的情况(以下称公共多接入信道)；在中继节点处，也存在多个下级末端节点共同接入中继节点的情况(以下称中继多接入信道)；加上中继信道和直连信道，共有4种类型的信道。

在实施过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

图1的应用场景中，由于在公共接入节点处，需要对各个公共多接入信道的发送功率分配进行优化。另外，每个中继信道的各个节点也需要进行功率分配优化。除此以外，各个中继节点的中继多接入信道也进行发送功率的优化。

对于物联网的这类应用场景，第一个问题是现有的功率分配优化方法，往往只针对多接入信道和中继信道分别进行优化，缺少将这两类信道联合进行优化的方法，这样会影响这种场景中的整体网络性能。第二个问题是现有功率分配优化方案，往往需要大量的迭代运算，适合于节点相对固定的无线网络，对网络管理设备的配置也要求较高。在物联网中，往往不断有节点加入和失效，网络状态往往处于经常性的变化中，而且控制设备相对简单，需要采用简单快捷的功率分配优化方式进行优化。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种简单快捷的物联网无线中继接入策略中功率分配的优化方法。该方法可有效地提高整个网络的性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种物联网无线中继接入策略中功率分配的优化方法，即，借助一种包含发送功率、节点距离、衰减因子的无线信道模型，采用使信道容量最大的方法，实现物联网无线中继接入策略中多接入信道和多节点中继信道的联合功率分配最优。

具有方法为：

A、对各公共多接入信道的功率分配进行优化；

A1、根据区域内部各接入信道的业务请求参数，将参数转换成加权系数对各公共接入信道的带宽进行加权；

A2、按照网络在均衡条件下总信道容量最大的分配原则，借助一种包含发送功率、节点距离、衰减因子的无线信道模型，分别计算各公共多接入信道的信道容量，并使得各公共多接入信道加权后相等，从而使公共多接入信道的功率分配优化。

B、对各中继信道及各个中继多接入信道的功率分配进行优化；

B1、对于接入公共节点的各中继信道，按照中继网络在各节点速率均衡情况下总信道容量达到最大的原则，并且中继信道容量等于A2中得到的对应公共多接入信道的信道容量，借助一种包含发送功率、节点距离、衰减因子的无线信道模型，通过计算多节点中继信道的信道容量，实现各中继节点的功率分配优化；

B2、对于中继信道上的每一个中继节点，又存在多个下级节点共同接入该节点而构成了若干个中继多接入信道；根据各下级节点接入中继节点的业务带宽请求参数，将参数转换成加权系数对各中继接入信道的带宽进行加权，然后按照网络在均衡条件下总信道容量最大的分配方法，借助一种包含发送功率、节点距离、衰减因子的无线信道模型，分别计算中继多接入信道的信道容量，并使得各接入信道加权后相等，并与该中继信道的信道容量相符，从而进行该中继节点各个下级节点之间的中继多接入信道的功率分配优化；

B3、重复过程B2，直到所有中继链路及其各中继节点的末级节点完成功率分配优化。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，通过对接入公共蜂窝网络的节点、各个中继节点、各中继节点的下级节点的联合功率分配优化，从而实现了整个网络的功率分配优化，有效提高了整个网络的性能。另外，由于采用了直接计算信道容量的方法，避免了大量的迭代运算，从而使得本发明采用的功率分配优化方法简单快捷，满足物联网应用场景的需要。

附图说明

图1为本发明的实施例的局部区域物联网终端通过一个公共节点接入公共蜂窝网的应用场景示意图；

图2为本发明实施例采用的无线信道模型示意图；

图3为本发明实施例中的接入公共蜂窝网的公共多接入信道示意图；

图4为本发明实施例中多节点中继信道示意图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对图1的一个局部区域内多个物联网节点通过短距离无线电技术，以多接入和中继混合方式，通过一个公共的接入节点连接到公共蜂窝网络的应用场景，应用技术对整个网络的各类信道的联合优化考虑不周，并且提供的优化方法大部分需要大量迭代，不能满足结构经常发生变化的图1的物联网应用场景的现状，本发明提供一种物联网无线中继接入策略中功率分配得优化方法，它包括：

A、对各公共多接入信道的功率分配进行优化；

A1、根据区域内部各接入信道的业务请求参数，将参数转换成加权系数对各公共接入信道的带宽进行加权；

A2、按照网络在均衡条件下总信道容量最大的分配原则，借助一种包含发送功率、节点距离、衰减因子的无线信道模型，分别计算各公共多接入信道的信道容量，并使得各公共多接入信道加权后相等，从而使公共多接入信道的功率分配优化；

B、对各中继信道及各个中继多接入信道的功率分配进行优化；

B1、对于接入公共节点的各中继信道，按照中继网络在各节点速率均衡情况下总信道容量达到最大的原则，并且中继信道容量等于A2中得到的对应公共多接入信道的信道容量，借助一种包含发送功率、节点距离、衰减因子的无线信道模型，通过计算多节点中继信道的信道容量，实现各中继节点的功率分配优化；

B2、对于中继信道上的每一个中继节点，又存在多个下级节点共同接入该节点而构成了若干个中继多接入信道；根据各下级节点接入中继节点的业务带宽请求参数，将参数转换成加权系数对各中继接入信道的带宽进行加权，然后按照网络在均衡条件下总信道容量最大的分配方法，借助一种包含发送功率、节点距离、衰减因子的无线信道模型，分别计算中继多接入信道的信道容量，并使得各接入信道加权后相等，并与该中继信道的信道容量相符，从而进行该中继节点各个下级节点之间的中继多接入信道的功率分配优化；

B3、重复过程B2，直到所有中继链路及其各中继节点的末级节点完成功率分配优化。

对各公共接入信道的功率分配进行优化的具体步骤：

步骤A1：根据各接入中继信道和直连信道对带宽的要求，定义带宽分配系数η＝{η₁,η₂,...,η_T}，利用带宽分配系数对带宽进行加权η_t*C_t。如图3所示，设有T个信道需要共享接入公共蜂窝网络。

步骤A2：在已知这些节点的位置和信道特性(信道衰落A_st)后，通过求解：

可求得各个节点的功率分配P₀，P₁，…，P_T-1。

在总功率一定的情况下，获得各个接入信道的信道衰减和节点同公共接入节点的距离，通过上式就可以获得各个多接入信道节点的发送功率，使得总的信道容量达到最大。求得的各个节点的发送功率，就是对各接入信道的功率分配优化的结果。

对各中继信道以及中继多接入信道的功率分配进行优化的具体步骤：

步骤B1：对于接入公共接入节点的中继链路n，设其中继节点数量为T_n，在已知各个中继节点的位置和信道衰落后，求解：

在已知起始节点的功率P₀后，求解上式即可得到各个节点的功率。

步骤B2：每个中继节点又为其周围的多个下级终端提供共享接入，利用步骤A1和步骤A2同样的方法优化各个中继多接入信道末端节点的功率分配；

步骤B3：重复步骤B2，直到该中继链路上所有中继节点的末端节点完成功率分配优化。

值得注意的是，在步骤B1的多接入信道中，除了中继信道外，还包括场景中的发送重要数据的节点直接接入公共接入节点的信道，如果是这类信道，则直接跳过，信道计数器加1，对下一个信道执行步骤B1.

下面说明上述物联网无线中继接入策略的功率分配优化方法的各步骤中涉及的计算公式及模型：

1、简单地对使用的符号进行说明：

定义网络任意节点为t(t＝0_,1_,2,...,T-1)；

定义X，Y分别为t节点的输入和输出；

H(X)为X的信息熵；

H(X|Y)为条件Y下的X的熵；

I(X；Y)为X和Y之间的互信息；

I(X；Y|Z)为条件Z下的X和Y之间的互信息。

d_st是节点s和t之间的距离；

α是衰耗指数；

A_st是衰减变量；

Z_t是均值为0的高斯噪声。

2、信道模型定义

由于本发明进行的物联网节点之间的功率分配优化，主要关注节点距离、信道特性和噪声，因此，为简化计算，可以参考文献“Kramer G,Gastpar M,et.al.CooperativeStrategies and Capacity Theorems for Relay Networks[J].IEEE Trans.OnInfo.Theory,2005,51(9):3037-3063”(中继网络的协同策略和容量理论IEEETransaction信息理论杂志)中的无线信道模型，采用如下无线信道模型

并采用自由空间衰耗指数α＝2。

3、多中继节点抽象信道的信道容量

设中继信道为非时变和非记忆，可用条件概论分布描述为

P(y₁,...,y_T-1|x₀,x₁,...,x_T-2) (4)

对于多节点信道，数据由起始节点经K级中继节点t(t＝1,2,…,K＝T-2)进行中继转发，其输入和输出分别为X_t和Y_t，直至最终节点T-1。图2描述了中继节点t的所有输入和输出。

对于节点t，由割集限制得：

c(t)＝I(X₀X₁...X_t-1；Y_t|X_t+1X_t+2...X_K) (5)

所以多节点中继信道的容量为：

由于式(6)求解复杂，为简化计算，借鉴文献“Alex Reznik,Sanjeev R,et.al.Degraded Gaussian Multirelay Channel:Capacity and Optimal PowerAllocation[J].IEEE Trans on Info Theory,2004,50(12):3037–3046”(可退化高斯多中继信道：容量和功率分配优化IEEE Transaction信息理论杂志)中多节点高斯中继信道最优化研究的结论，即信道容量在c(0)＝c(1)＝…＝c(t)时达到最大，其中，0<t<T。

4、多接入抽象信道的信道容量

多个信道共用一条链路接入公共蜂窝网络，该部分信道模型如图3所示。其中，节点0为公共蜂窝网络的接入点，其他节点(1,2,…,T)为直连信道和中继信道的起始节点。

考虑T条信道接入公共蜂窝网络，该信道为[X₁...X_T,P(y|x₁...x_T),Y]，由割集限制，各信道的容量满足：

其中，采用文献“Liang-Liang Xie,Kumar P R.A networkinformation theory for wireless communication:Scaling laws and optimaloperation[J].IEEE Trans on Info Theory,2004,50(5):748–767”(无线通信网络理论：网络弹性法则和最优化操作IEEE Transaction信息理论杂志)的结论，容量在各节点均衡发送时，即C₀＝C₁＝…＝C_T-1，获得最优。

5、多接入信道功率分配优化计算方法

将式(3)代入式(7)，求得：

，然后，将各多接入信道的链路的带宽分配系数η＝{η₁,η₂,...,η_T}带入式(8)，得式(1)，在总功率一定的情况下，获得各个接入信道的信道衰减和节点同公共接入节点的距离，就可以获得各个多接入信道节点的发送功率，使得总的信道容量达到最大。求得的各个节点的发送功率，就是功率分配优化的结果。

6、多节点中继信道功率分配优化计算方法

对于多节点中继信道，由于任何一个节点同时受这个节点前面各个节点发送信号的影响，同时，其发送的信号，还影响其后的各个节点。将式(3)代入式(6)，可以求得式(2)，在总功率确定的情况下，可以求得各个节点的功率分配，使得整个信道的容量最大。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种物联网无线中继接入策略中功率分配的优化方法，其应用场景为：在物联网局部区域内多个物联网节点通过无线方式共用一个公共接入节点接入公共无线蜂窝网络，该公共接入节点处存在包括多个直连信道和中继信道的公共多接入信道，在中继节点处存在中继多接入信道，其特征在于：

对于公共多接入信道，利用公式(1)所示无线信道模型，采用信道容量最大方法，计算公共多接入信道中各节点的发送功率：

$\frac{{\mathrm{\&eta;}}_1{A}_{01}^2{P}_0}{d_{01}^2}=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_2{A}_{02}^2{P}_1}{d_{02}^2}=\mathrm{...}=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_T{A}_{0T}^2{P}_{T-1}}{d_{0T}^2}---\left(1\right)$

其中，{η₁,η₂,...,η_T}为带宽分配系数，{A₀₁,A₀₂,……A_0T}为节点的信道衰减，{d₀₁,d₀₂,……d_0T}为节点与公共接入节点的距离，{P₀,P₁,……P_T-1}为节点的发送功率，T为节点数量；公式(1)中，在总功率一定的情况下，已知节点的位置与信道衰减，求得各节点的发送功率，使得总的信道容量达到最大；

对于中继节点，利用公式(2)所示无线信道模型，采用信道容量最大方法，计算中继信道中各节点的发送功率：

$\frac{A_{01}{P}_0}{d_{01}^2}=\frac{A_{02}{P}_0}{d_{02}^2}+\frac{A_{12}{P}_1}{d_{12}^2}=\mathrm{...}={\&Sigma;}_{s=0}^{T_n-2}{A}_{s(T_n-1)}{\left(\frac{\sqrt{P_s}}{d_{s(T_n-1)}}\right)}^2---\left(2\right)$

其中，中继节点的数量T_n大于等于2，是节点s与节点T_n-1之间的距离，是节点s到节点T_n-1的信道衰减，公式(2)中，已知节点0的功率P₀，求得到各节点的发送功率。

2.根据权利要求1所述的一种物联网无线中继接入策略中功率分配的优化方法，其特征在于：所述使信道容量最大的方法包括：对各公共多接入信道的功率分配进行优化；

具体方法为：

A1、根据区域内部各接入信道的业务请求参数，将参数转换成加权系数对各公共接入信道的带宽进行加权；

A2、按照网络在均衡条件下总信道容量最大的分配原则，利用公式(1)求得公共多接入信道中各节点的最优发送功率。

3.根据权利要求1所述的一种物联网无线中继接入策略中功率分配的优化方法，其特征在于：所述使信道容量最大的方法包括：对各中继信道及各个中继多接入信道的功率分配进行优化；

具体方法为：

B1、对于接入公共节点的各中继信道，按照中继网络在各节点速率均衡情况下总信道容量达到最大的原则，并且中继信道容量等于公式(1)中得到的对应公共多接入信道的信道容量，利用公式(2)求得中继信道中各节点的最优发送功率；

B2、对于中继信道上的每一个中继节点，又存在多个下级节点共同接入该节点而构成了若干个中继多接入信道；根据各下级节点接入中继节点的业务带宽请求参数，将参数转换成加权系数对各中继接入信道的带宽进行加权，然后按照网络在均衡条件下总信道容量最大的分配方法，利用公式(1)，分别计算中继多接入信道的信道容量，并使得各接入信道加权后相等，并与该中继信道的信道容量相符，从而进行该中继节点各个下级节点之间的中继多接入信道的功率分配优化；

B3、重复过程B2，直到所有中继链路及其各中继节点的末级节点完成功率分配优化。

4.根据权利要求3所述的一种物联网无线中继接入策略中功率分配的优化方法，其特征在于：在所述步骤B1的公共多接入信道中，除了中继信道外，还包括场景中的发送重要数据的节点直接接入公共接入节点的信道，如果是这类信道，则直接跳过，信道计数器加1，对下一个信道执行步骤B1。