CN103796284A - 一种用于能量采集无线网络的中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于能量采集无线网络的中继选择方法，在获取时根据能量采集的限制条件，构造使中断概率最小的目标函数；同时提出一种启发式的动态功率分配和相应的中继选择方法对目标函数进行求解，在求解时，通过将信号在中继节点处获取的能量进行动态化，从而得到精确的能量采集无线网络的最小中断概率。

Description

一种用于能量采集无线网络的中继选择方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种用于能量采集无线网络的中继选择方法。

背景技术

能量采集是无线网络领域中的一个研究热点，当通信节点具有连续不可靠的能量存储装置时，那么传统的通信技术的再研究就变得非常的有意义。目前，对能量采集的研究主要集中在吞吐量最大化、资源分配和调度的问题上，或者是混合能量存储系统上。在存储和发射的能量采集模式中，通过最优化存储和发射时间的比值可以提高传输的可靠性和效率。在没有能量采集时，仅选择最优的中继进行传输，因此无线机会传递被认为是一种可以提高无线传输中断性能的有效方式；但是，当前的功率分配和中继选择方案是在总功率限制的条件下进行研究的，所以现有技术就可能不适应于能量采集的情况，因此，功率分配和中继选择算法就有必要重新考察，能量采集无线网络的最小中断概率可以有效的评价信号在传输过程中中继节点选择的合理性，但现有技术不能有效的得到最小中断概率，从而不能合理的选择中继节点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于能量采集无线网络的中继选择方法，该方法可以准确的获取能量采集无线网络的最小中断概率，并根据最下中断概率选择中继节点。

为达到上述目的，本发明所述的用于能量采集无线网络的中继选择方法，包括以下步骤：

1)设能量采集无线网络包括源节点S、终端节点D及N个中继节点，信号在能量采集无线网络中进行了T次传输，则信号每次传输的过程可分为两个阶段，第一个阶段为源节点S产生T个功率均为P_s的信号，第二个阶段为中继节点接收所述信号，并将所述信号转发至终端节点D中；

2)信号在第t次传输过程中，第一个阶段中信道的衰落系数为

第二个阶段中信道的衰落系数为

其中，t＝1，...，T，h_nd(t)及h_sn(t)为关于t的已知向量，

及

为已知方差，则信号第t次传输过程中选择的最优中继节点为

$R_n^{*}\left(t\right)=\arg \underset{R_n}{\max }\min \{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sn}}\left(t\right),{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{nd}}\left(t\right)\}---\left(1\right)$

其中，r_sn(t)是中继节点R_n(t)的接收信噪比，r_nd(t)为终端节点D的接收信噪比，且γ_sn(t)：＝P_s|h_sn(t)|²/N₀，γ_nd(t)：＝P_n(t)|h_nd(t)|²/N₀，P_n(t)是信号第t次传输过程中中继节点R_n的发射功率，N₀是噪声方差；

由式(1)得信号第t次传输过程中的中断概率为

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\mathrm{Pr}\{R<\frac{1}{2}\log (1+\underset{R_n}{\max }\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{sn}}\left(t\right),{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{nd}}\left(t\right)\left\}\right)\}\\ =\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\{1-\exp [{-2}^{2R-1}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})\left]\right\}\end{array}---\left(2\right)$

其中R为信号的传输速率；

由式(2)得信号在T次传输过程中的最小中断概率为

$\min \underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Pi;}}}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})---\left(11\right)$

将式(11)分解为N个子目标函数，且每个子目标函数为

$\min \underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{e_n\left(t\right)}---\left(12\right)$

其中， $e_n\left(t\right)=\max \{e_{\max },\min (\frac{E_{\mathrm{rsdl}}\left(t\right)}{T-t+1}+N{\mathrm{\&Delta;}}_n,E_{\mathrm{rsdl}}\left(t\right))\},$ E_rsdl(1)＝E₀，E_rsdl(t)为中继节点R_n发射信号前的剩余能量，Δ_n为信号在中继节点R_n中采集的能量，Δ_n是关于t的函数，且Δ_n是动态变化的，e_max是中继节点R_n在每次信号传输中的最大损耗能量，E₀是中继节点R_n的初始能量，E_max是中继节点R_n的最大能量存储容量，e_n(t)为信号第t次传输过程中在中继节点R_n处的损耗能量；

将式(12)带入到式(11)中，得T次传输过程中的最小中断概率，然后根据最小中断概率进行中继节点的选择。

步骤2)中的式(12)满足以下条件：

$\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}_n\left(t\right)\&le;E_0+\underset{t=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;}}_n\left(t\right),k=\mathrm{1,2},...,T---\left(4\right)$

$-\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}_n\left(t\right)+E_0+\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;}}_n\left(t\right)\&le;E_{\max },\&ForAll;k---\left(5\right)$

e_n(t)≥0，t＝1，...，T，n＝1，...，N(6)

e_n(t)≤e_max，t＝1，...，T，n＝1，...，N  (7)

步骤2)中由式(2)得

$P_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\left\{2^{2R-1}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})\right\}---\left(8\right)$

则信号T次传输过程中总的中断概率为

$P_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\left\{2^{2R-1}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})\right\}---\left(9\right)$

由式(9)得信号T次传输过程中的最小中断概率为 $\min \underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2}).$

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的用于能量采集无线网络的中继选择方法在获取能量采集无线网络中的最小中断概率时，通过将信号在中继节点处进行中继选择和能量采集，即信号在中继节点处的能量进行动态化，同时通过将整个最小中断概率的函数分解为N个子目标函数，计算每个子目标函数，从而得到精确的能量采集无线网络的最小中断概率，然后根据最小中断概率进行中继节点的选择。

附图说明

图1为本发明在中继处采集的能量Δ_n为恒定值时的最小中断概率图谱；

图2为本发明在中继处采集的能量Δ_n服从Gamma分布时的最小中断概率图谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的用于能量采集无线网络的中继选择方法的具体操作过程为：

能量采集无线网络包括源节点S、终端节点D及N个中继节点，信号进行了T次传输，每次传输分为两个阶段，第一个阶段为源节点S以相同的功率P_s发射信号；第二个阶段为选择最优中继节点接收所述信号，并将所述信号转发至终端节点D处，中继节点处设有能量存储装置，中继节点接收所述信号后，信号会在中继节点处采集能量，其中，第一个阶段中信道的衰落系数表示为

第二个阶段中信道的衰落系数为

假设各次信号传输过程中信道的衰落系数是相互独立的，第t次传输过程中选取的最优中继节点为

$R_n^{*}\left(t\right)=\arg \underset{R_n}{\max }\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{sn}}\left(t\right),{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{nd}}\left(t\right)\}---\left(1\right)$

其中，h_nd(t)及h_sn(t)为关于t的已知向量，

及

为已知方差，t＝1，...，T，γ_sn(t)是中继节点R_n(t)的接收信噪比，γ_nd(t)为终端节点D的接收信噪比，且γ_sn(t)：＝Ps|h_sn(t)|²/N₀，γ_nd(t)：＝P_n(t)|h_nd(t)|²/N₀，其中，P_n(t)是信号在第t次传输过程中中继节点R_n的发射功率，N₀是噪声方差；

由式(1)得信号第t次传输过程中的中断概率为

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\mathrm{Pr}\{R<\frac{1}{2}\log (1+\underset{R_n}{\max }\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{sn}}\left(t\right),{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{nd}}\left(t\right)\left\}\right)\}\\ =\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\{1-\exp [{-2}^{2R-1}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})\left]\right\}\end{array}---\left(2\right)$

其中，R是信号的传输速率。

由式(2)得，信号在T次传输过程中的中断概率P_outage为

$P_{\mathrm{outage}}=\frac{1}{T}\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{out}}\left(t\right)---\left(3\right)$

从(2)和(3)可以看出，中断概率取决于第t次传输过程中的所选择的中继节点的发射功率，当中继节点是能量采集时，发射功率P_n(t)是与t相关的，不能独立的分配；中断概率最小化的约束条件是每次传输中的功率限制和总传输中的中继节点的能量储量，假设每次传输的周期为T₀，在第t次传输过程中，信号在中继节点R_n损耗的能量和采集的能量分别表示为e_n(t)＝P_n(t)T₀/2和Δ_n(t)，则最优化问题可构造为

min P_outage

$\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}_n\left(t\right)\&le;E_0+\underset{t=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;}}_n\left(t\right),k=\mathrm{1,2},...,T---\left(4\right)$

$-\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}_n\left(t\right)+E_0+\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;}}_n\left(t\right)\&le;E_{\max },\&ForAll;k---\left(5\right)$

e_n(t)≥0，t＝1，...，T，n＝1，...，N(6)

e_n(t)≤e_max，t＝1，...，T，n＝1，...，N  (7)

其中，E₀是中继节点R_n的初始能量，E_max是中继节点R_n的最大能量存储容量，e_max是中继节点R_n在每次信号传输过程中的最大损耗能量。

在高信噪比的情况下，根据等价无穷小的关系对第t次传输过程中的中断概率进行优化，得

$P_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\left\{2^{2R-1}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})\right\}---\left(8\right)$

则T次传输中总的中断概率可表示为

$P_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\left\{2^{2R-1}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})\right\}---\left(9\right)$

由式(8)及式(9)得T次传输过程中的最小中断概率为

$\min \underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Pi;}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})---\left(10\right)$

根据公式∑_ia_ib_i≤∑_ia_i∑_ib_i及a_i，b_i≥0，可将式(10)简化为

$\min \underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})---\left(11\right)$

因为式(4)～式(7)与n是相互独立的，则式(11)可以分解为N个子目标函数，且每个子目标函数为

$\min \underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{e_n\left(t\right)}---\left(12\right)$

其中， $e_n\left(t\right)=\max \{e_{\max },\min (\frac{E_{\mathrm{rsdl}}\left(t\right)}{T-t+1}+N{\mathrm{\&Delta;}}_n,E_{\mathrm{rsdl}}\left(t\right))\},$ E_rsdl(1)＝E₀，E_rsdl(t)为中继节点R_n发射信号前的剩余能量，Δ_n为信号在中继节点R_n中采集的能量，Δ_n是关于t的函数，且Δ_n是动态变化的，e_n(t)为信号第t次传输过程中在中继节点R_n处的损耗能量；

将式(12)代入到式(11)中，即可得到T次传输过程中的最小中断概率，然后根据最小中断概率进行中继节点的选择。

以下将对本发明提供的方法进行验证：

源节点S的发射次数T＝1000，中继节点数N＝4，电池最大存储能量为3×SNR焦耳，在每次传输中最大发射能量为1.5×SNR焦耳；平均信噪比SNR＝P_s/N₀，且E_max和e_max是与平均信噪比SNR成正比的。本发明考虑了Δ_n为恒定和随机两种情况，并分别与贪婪的功率分配和中继选择方案作对比。

参考图1，图1给出了当Δ_n＝E_max/20时的中断概率，即能量采集是恒定的，即在能量没有损失时可充分进行20次传输，可以看出，本发明中的功率分配和中继选择方案获得的性能增益比贪婪功率分配方案高0.5～1dB。因为本发明中的能量不仅使当前的传输中断最小，并且使其后的传输中断也最小，这使能量损耗比贪婪功率分配方案更稳定。

参考图2，图2给出了当能量采集Δ_n不恒定时的中断概率，假设能量采集Δ_n服从均值为E_max/20的Gamma分布，可以看出在这种情况下，本发明中的功率分配方案优于贪婪方案。

Claims (3)

1.一种用于能量采集无线网络的中继选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设能量采集无线网络包括源节点S、终端节点D及N个中继节点，信号在能量采集无线网络中进行了T次传输，则信号每次传输的过程可分为两个阶段，第一个阶段为源节点S产生T个功率均为P_s的信号，并将所述信号转发至所有中继节点处，第二个阶段为最优中继节点R_n(t)接收所述信号，并将所述信号转发至终端节点D处；

2)信号在第t次传输过程中，第一个阶段中信道的衰落系数为

第二个阶段中信道的衰落系数为

其中，t＝1，...，T，h_nd(t)及h_sn(t)为关于t的已知向量，

及

为已知方差，则信号第t次传输过程中选择的最优中继节点为

$R_n^{*}\left(t\right)=\arg \underset{R_n}{\max }\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{sn}}\left(t\right),{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{nd}}\left(t\right)\}---\left(1\right)$

其中，r_sn(t)是中继节点R_n(t)的接收信噪比，r_nd(t)为终端节点D的接收信噪比，且γ_sn(t)：＝P_s|h_sn(t)|²/N₀，γ_nd(t)：＝P_n(t)|h_nd(t)|²/N₀，P_n(t)是信号第t次传输过程中中继节点R_n的发射功率，N₀是噪声方差；

由式(1)得信号第t次传输过程中的中断概率为

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\mathrm{Pr}\{R<\frac{1}{2}\log (1+\underset{R_n}{\max }\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{sn}}\left(t\right),{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{nd}}\left(t\right)\left\}\right)\}\\ =\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\{1-\exp [{-2}^{2R-1}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})\left]\right\}\end{array}---\left(2\right)$

其中R为信号的传输速率；

由式(2)得信号在T次传输过程中的最小中断概率为

$\min \underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Pi;}}}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})---\left(11\right)$

将式(11)分解为N个子目标函数，且每个子目标函数为

$\min \underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{e_n\left(t\right)}---\left(12\right)$

其中， $e_n\left(t\right)=\max \{e_{\max },\min (\frac{E_{\mathrm{rsdl}}\left(t\right)}{T-t+1}+N{\mathrm{\&Delta;}}_n,E_{\mathrm{rsdl}}\left(t\right))\},$ E_rsdl(1)＝E₀，E_rsdl(t)为中继节点R_n发射信号前的剩余能量，Δ_n为信号在中继节点R_n处采集的能量，Δ_n是关于t的函数，且Δ_n是动态变化的，e_max是中继节点R_n在每次信号传输中的最大损耗能量，E₀是中继节点R_n的初始能量，E_max是中继节点R_n的最大能量存储容量，e_n(t)为信号第t次传输过程中在中继节点R_n处的损耗能量；

将式(12)带入到式(11)中，得T次传输过程中的最小中断概率，然后根据最小中断概率进行中继节点的选择。

2.根据权利要求1所述的用于能量采集无线网络的中继选择方法，其特征在于，步骤2)中的式(12)满足以下条件：

$\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}_n\left(t\right)\&le;E_0+\underset{t=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;}}_n\left(t\right),k=\mathrm{1,2},...,T---\left(4\right)$

$-\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}_n\left(t\right)+E_0+\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;}}_n\left(t\right)\&le;E_{\max },\&ForAll;k---\left(5\right)$

e_n(t)≥0，t＝1，...，T，n＝1，...，N  (6)

e_n(t)≤e_max，t＝1，...，T，n＝1，...，N  (7)

3.根据权利要求2所述的用于能量采集无线网络的中继选择方法，其特征在于，步骤2)中由式(2)得

$P_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\left\{2^{2R-1}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})\right\}---\left(8\right)$

则信号T次传输过程中总的中断概率为

$P_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\left\{2^{2R-1}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2})\right\}---\left(9\right)$

由式(9)得信号T次传输过程中的最小中断概率为 $\min \underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Pi;}}}\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sn}}^2}+\frac{1}{P_n\left(t\right){\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{nd}}^2}).$

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