CN105722179B - 一种协作中继系统信息吞吐量最大化的无线能量传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协作中继系统信息吞吐量最大化的无线能量传输方法，包括以下步骤：首先，根据中继节点到源节点与目的节点的距离，确定由距离中继节点较近的节点提供能源来源；其次，根据能源来源节点的不同，给出最优传输时隙时间分配方法；最后，按照所获最优时间分配比例0＜α^*＜1，整个传输时隙T分为三个阶段，第一阶段，能量源占用α^*T进行能量传输，第二阶段，源节点占用(1‑α^*)T/2参与信息传输，第三阶段，中继节点占用剩余时长参与协作传输。

Description

一种协作中继系统信息吞吐量最大化的无线能量传输方法

技术领域：

本发明涉及移动通信技术领域中无线能量传输中继网络，特别涉及一种协作中继系统信息吞吐量最大化的无线能量传输方法。

背景技术：

在能量受限的无线网络中，例如无线传感器网络中，节点通常配有固定的能量供给装置，例如，电池。如此，在充电或者更换电池不方便的场景中，网络的生命时间就会受到限制。从自然环境，如太阳能、风能等收集能量给中继网络提供了新的能源供应方式。除了这些常用的能源，从射频信号中收集能量的方式吸引了越来越多的注意。目前主要有TS(time switching)和PS(power splitting)两种接收方法。在实际中，相对于PS模式(接收机需要将接收到的射频信号分为两路信号)，TS模式，接收机可以在不同的时间进行能量收集与信息检测，TS模式更容易实施。在传统的无线能量传输中继网络中，中继节点收集的能量来源于发送信息的源节点本身，并没有考虑到中继节点的位置对于能量收集的影响，如此会造成系统的吞吐量并不是那么的理想，如果能够考虑到中继节点的位置，有效调整中继节点收集能量的来源方，势必会提升整个系统性能。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供了一种协作中继系统信息吞吐量最大化的无线能量传输方法，并给出了获得最优的时间分配比例方法，有效地提高了系统的性能。

为达到上述目的，本发明通过如下的技术方案予以实现：

一种协作中继系统信息吞吐量最大化的无线能量传输方法，包括以下步骤：

1)根据中继节点到源节点与目的节点的距离，确定由距离中继节点近的节点提供能源来源；如果源节点与中继节点的距离小于目的节点与中继节点的距离，则源节点向中继发送能量信号，作为中继节点的能量来源，反之亦然；

2)根据能源来源节点的不同，分别给出最优传输时隙时间分配方法得到最优时间分配比例α^*，其中0＜α^*＜1；

3)按照所获最优时间分配比例α^*，整个传输时隙T分为三个阶段，第一阶段，能量源以最优的时长α^*T进行能量传输，第二阶段，源节点占用(1-α^*)T/2参与信息传输，第三阶段，中继节点占用剩余时长参与协作传输，其中T为一个时隙的长度。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，源节点或目的节点以最优的时长α^*T广播能量信号，其中，最优的时间分配比例α^*确定如下：

情况1：源节点作为能量源时，根据系统吞吐量τ＝R(1-P_out)(1-α)/2，首先要确定系统中断概率P_out与时间分配比例的关系，关系如下：

其中，α为时间分配比例，γ_th＝2^2R-1为信噪比门限，R为系统传输速率，d₁为源节点到中继节点的距离，d₂为中继点到目的节点的距离，m为路径损耗指数，σ_r ²为中继节点的接收噪声，σ_d ²为目的节点的接收噪声，P_s为源节点能量信号发送功率，P_I为源节点的信息信号发送功率；

由此，系统的吞吐量可表达为由于表达式过于复杂，通过一维搜索获得最优的α^*使得吞吐量达到最大；

情况2：目的节点作为能量源时，根据系统吞吐量τ＝R(1-P_out)(1-α)/2，首先要确定系统中断概率P_out与时间分配比例的关系，关系如下：

其中，P_d为目的节点能量信号发送功率；

由此，系统的吞吐量可表达为令由于变量t与α是一一对应关系，经化简，最优时间分配比例α^*对应的最优t^*满足一个多项式，即：A₃t³+2A₃t²+A₃t-4＝0，通过迭代算法获得最优的时间分配例α^*。

本发明进一步的改进在于，迭代算法选用牛顿迭代法。

相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本发明协作中继系统信息吞吐量最大化的无线能量传输方法，与传统无线能量传输相比，不在机械地将源节点作为能量源，而是根据中继节点的位置选择由哪个节点作为能量源，由此使得中继节点更加有效地收集到更多的能量以进行能量补充，且本方案给出了最优的时间分配比例方案，使得系统性能最佳。

附图说明：

图1为本发明协作中继系统信息吞吐量最大化的无线能量传输方法的流程图；

图2为本发明中无线充能中继系统的模型框图；

图3为本发明中无线充能中继系统的TS架构图；

图4为本发明中仿真性能图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

假设网络中包括一个源节点(S)，一个目的节点(D)，和一个中继节点(R),h为源节点和中继间的信道状态信息，g为中继和目的点间的信道状态信息，且有h～CN(0,1),g～CN(0,1)，源节点到中继的距离为d₁，目的节点到中继的距离为d₂。

参见图1至图3，本发明协作中继网络信息吞吐量最大化的无线能量传输方法，包括以下步骤：

1)根据中继节点到源节点与目的节点的距离，确定由距离中继节点较近的节点提供能源来源，如果源节点与中继节点的距离小于目的节点与中继节点的距离，则源节点向中继发送能量信号，作为中继节点的能量来源；反之亦然；

2)根据能源来源节点的不同，分别给出最优传输时隙时间分配方法得到最优时间分配比例α^*，其中0＜α^*＜1；

3)按照所获最优时间分配比例α^*，整个传输时隙T分为三个阶段，第一阶段，能量源以最优的时长α^*T进行能量传输，第二阶段，源节点占用(1-α^*)T/2参与信息传输，第三阶段，中继节点占用剩余时长参与协作传输，其中T为一个时隙的长度。

其中，步骤2)中，源节点或目的节点以最优的时长α^*T广播能量信号，其中，最优的时间分配比例α^*确定如下：

情况1：源节点作为能量源时(d₁≤d₂)，在能量传输阶段，中继节点接收的能量为：

其中，P_s为源节点能量信号发送功率，m为路损指数；η为能量收集电路的转换效率，不妨设为1，如图2所示T为一个时隙的长度；

因此，中继节点的发送功率为

在信号传输阶段，中继节点接收到来自源节点的信息为：

其中，P_I为源节点信息发送功率，一般其值小于能量节点能量信号发送功率大小，n_r为中继点的噪声，服从均值为0，方差为σ_r ²的高斯分布；

因此，信噪比为

中继采用解码-转发方式，只有解码正确，中继才协作源节点，在此种情况下，接入点接收到的信号为

其中，n_d为目的节点的噪声，服从均值为0，方差为σ_d ²的高斯分布；

因此，信噪比为

根据系统吞吐量τ＝R(1-P_out)(1-α)/2，首先要确定系统中断概率P_out与时间分配比例的关系，关系如下：

其中，γ_th＝2^2R-1为信噪比门限，R为系统传输速率，d₁为源节点到中继节点的距离，d₂为中继点到目的节点的距离，m为路径损耗指数，σ_r ²为中继节点的接收噪声，σ_d ²为目的节点的接收噪声，P_s为源节点能量信号发送功率，P_I为源节点的信息信号发送功率；

由此，系统的吞吐量可表达为由于表达式过于复杂，可通过一维搜索获得最优的α^*使得吞吐量达到最大。

情况2：目的节点作为能量源时(d₁＞d₂)，在能量传输阶段，中继节点接收的能量为：

其中，P_d为目的节点能量信号发送功率，m为路损指数；η为能量收集电路的转换效率，不妨设为1，如图2所示T为一个时隙的长度；

因此，中继节点的发送功率为

根据系统吞吐量τ＝R(1-P_out)(1-α)/2，首先要确定系统中断概率P_out与时间分配比例的关系，关系如下：

其中，P_d为目的节点能量信号发送功率；

由此，系统的吞吐量可表达为令由于变量t与α是一一对应关系，最优时间分配比例满足对应于经化简，最优时间分配比例α^*对应的最优t^*满足一个多项式，即：A₃t³+2A₃t²+A₃t-4＝0，通过现有的快速迭代算法，例如牛顿迭代法，我们可以获得最优的时间分配例α^*。

仿真实验和效果分析：

仿真模型参数为：源节点的传输速率R＝1bit/sec/Hz，噪声d₁＝6m，d₂＝4m，P_s＝P_d，P_I＝P_s/2，m＝2.5，h～CN(0,1),g～CN(0,1)。

仿真结果分析，通过仿真本发明提出的协作中继系统信息吞吐量最大化的无线能量传输方法所达到的吞吐量效果，与传统方案(固定能量来源)比较，本发明所获得吞吐量明显优于传统方案，而且也证明了将距离中继节点较近的节点作为能量源可以有效提高系统的吞吐量。

Claims (2)

1.一种协作中继系统信息吞吐量最大化的无线能量传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据中继节点到源节点与目的节点的距离，确定由距离中继节点近的节点提供能源来源；如果源节点与中继节点的距离小于目的节点与中继节点的距离，则源节点向中继发送能量信号，作为中继节点的能量来源，如果目的节点与中继节点的距离小于源节点与中继节点的距离，则目的节点向中继发送能量信号，作为中继节点的能量来源；

2)根据能源来源节点的不同，分别给出最优传输时隙时间分配方法得到最优时间分配比例α^*，其中0＜α^*＜1；源节点或目的节点以最优的时长α^*T广播能量信号，其中，最优的时间分配比例α^*确定如下：

情况1：源节点作为能量源时，根据系统吞吐量τ＝R(1-P_out)(1-α)/2，首先要确定系统中断概率P_out与时间分配比例的关系，关系如下：

其中，α为时间分配比例，γ_th＝2^2R-1为信噪比门限，R为系统传输速率，d₁为源节点到中继节点的距离，d₂为中继点到目的节点的距离，m为路径损耗指数，σ_r ²为中继节点的接收噪声，σ_d ²为目的节点的接收噪声，P_s为源节点能量信号发送功率，P_I为源节点的信息信号发送功率；

由此，系统的吞吐量可表达为由于表达式过于复杂，通过一维搜索获得最优的α^*使得吞吐量达到最大；

情况2：目的节点作为能量源时，根据系统吞吐量τ＝R(1-P_out)(1-α)/2，首先要确定系统中断概率P_out与时间分配比例的关系，关系如下：

其中，P_d为目的节点能量信号发送功率；

由此，系统的吞吐量可表达为令由于变量t与α是一一对应关系，经化简，最优时间分配比例α^*对应的最优t^*满足一个多项式，即：A₃t³+2A₃t²+A₃t-4＝0，通过迭代算法获得最优的时间分配比例α^*；

3)按照所获最优时间分配比例α^*，整个传输时隙T分为三个阶段，第一阶段，能量源以最优的时长α^*T进行能量传输，第二阶段，源节点占用(1-α^*)T/2参与信息传输，第三阶段，中继节点占用剩余时长参与协作传输，其中T为一个时隙的长度。

2.根据权利要求1所述的协作中继系统信息吞吐量最大化的无线能量传输方法，其特征在于，迭代算法选用牛顿迭代法。