CN106304240B - 采用机会性能量采集的多中继系统的协作传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用机会性能量采集的多中继系统的协作传输方法，包括如下步骤：源节点S根据所有中继节点发送的导频信息估计所有S‑R链路的信道信息，根据目的节点D发送的导频信息估计S‑D链路的信道信息；每个中继节点根据目的节点D发送的导频信息估计每条R‑D链路的信道信息；源节点S和所有中继节点启动计时器，计时器先减为0的节点被设为发送节点；发送节点发送一个广播信号，接收到广播信号的节点停止计时；若源节点S为发送节点，源节点S计算指示变量；若第l个中继节点为发送节点，该中继节点利用采集的能量对接收的信息进行解码前传。本发明使系统在满足源节点S的功率约束和中继R的因果约束的条件下，获得最大的平均吞吐量。

Description

采用机会性能量采集的多中继系统的协作传输方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种采用机会性能量采集的多中继系统的协作传输方法。
背景技术
在无线传感网中，传感节点的工作时间往往受到电池电量的限制。通过能量采集技术使传感器节点从周围环境中获得能量可以有效延长网络的工作寿命。随着无线能量传输技术的发展，除了太阳能、风能等常规可再生能源外，射频信号也成为一种新的可用能源。
在无线传感网或无线中继网中，低功耗的中继或传感器节点从源节点发送的射频信号中获得能量和数据，然后利用采集的能量对数据进行转发。目前已有一些工作对中继系统中的能量和数据同传进行了研究。比如，研究了当目的节点具有能量采集能力时，能获得中继系统最佳折中性能的系统参数优化方法；研究了当采用时分或功分中继协议时，AF或DF中继系统的中断概率和吞吐量性能。
目前的研究工作均未考虑在衰落信道中，当源节点和目的节点间存在多个中继时，如何根据网络的信道状态信息选择中继节点，确定源节点和中继节点的发送功率、发送速率，在满足所有中继的数据和能量因果约束的条件下，使系统获得最大的遍历容量。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提出一种采用机会性能量采集的多中继系统的协作传输方法，使系统在满足源节点S的功率约束和中继R的因果约束的条件下，获得最大的平均吞吐量。
本发明采用的技术方案为一种采用机会性能量采集的多中继系统的协作传输方法，包括如下步骤：
(1)源节点S根据所有中继节点和目的节点发送的导频信息估计所有S-R和S-D链路的信道信息γsl,l＝0,…,L，式中，L表示中继节点的个数，γs0表示S-D链路的信道信息；同时，每个中继节点根据目的节点D发送的导频信息估计每条R-D链路的信道信息γrm,m＝1,…L；
(2)源节点S和所有中继节点启动计时器，源节点S的计时器的初始值式中，γ＝[γs1,…,γsL]，ρl(γ)为指示变量，l＝0,…,L,表示取中的最大值；当l＝0时，当1≤l≤L时， 其中，表示源节点S向目的节点D发送信息的最优功率，表示源节点S向第l个中继节点发送信息的最优功率，N0表示噪声功率；第l个中继节点的计时器的初始值 其中，νl为拉格朗日乘子，表示第l个中继节点的最优发送功率；计时器先减为0的节点被设为发送节点，发送节点发送一个广播信号，接收到广播信号的节点停止计时；
(3)若源节点S为发送节点，源节点S计算指示变量ρl(γ)：若ρ0(γ)＝1，源节点S直接通过直达径向目的节点D发送信息，所有中继节点处于能量采集状态；若ρl(γ)＝1，源节点S向第l个中继节点发送信息，其余中继节点采集能量，目的节点D通过直达径获得部分信息；
(4)若第l个中继节点为发送节点，该中继节点利用采集的能量对接收的信息进行解码前传；在第l个中继节点发送期间，其余中继节点处于能量采集状态。
本发明的有益效果为：
在某些特殊场景中，人工为传感器或中继节点更换电池是不现实的。本发明中的中继节点同时具有能量采集和信息解码的功能，可根据信道信息在两种功能间切换。本发明不需要专门为中继节点发送能量信号，而是让中继节点机会性地从接收到的射频信号中获取能量，从而减少了系统的总功耗。通过合理选择中继节点的数量和位置，可以有效提高系统的平均吞吐量。
附图说明
图1是采用无线能量供电的多中继系统的模型(当源节点S给目的节点D或其中一个中继节点发数据时，其余中继节点从接收的射频信号中采集能量)；
图2是当中继节点个数不同时，源节点S的平均发送功率和系统平均吞吐量的关系曲线。
具体实施方式
在本发明所研究的系统中，源节点S和目的节点D之间存在一条遭受深衰落的直达径。所有中继R均无稳定的能量供应，只能从源节点S发送的射频信号中获取能量。
下面结合附图对本发明内容作进一步详细说明。
在图1所示的系统模型中，源节点S和目的节点D之间有一条遭受深衰落的直达径，所有中继节点对来自源节点S的信息进行解码前传。为避免干扰，在任意时刻，只有一个节点可以发送信息。令表示指示变量：l＝0时，ρ0(γ)表示S直接向D发送信息的指示变量；1≤l≤L时，ρl(γ)表示S向第l个中继节点发送信息的指示变量；1≤l≤L时，表示第l个中继节点向D发送信息的指示变量。所有指示变量满足约束条件若S通过直达径向D发送信息，则ρ0(γ)＝1；若S给第l个中继节点发送信息，则ρl(γ)＝1；若第l个中继节点向目的节点发送信息，则源节点的发送信息被分成L+1个独立部分：一部分直接通过直达径发送给目的节点D，发送功率为Ps0(γ)，发送速率平均发送速率为Eγ{rs0(γ)}；第l部分通过第l个中继节点转发给目的节点，发送功率为Psl(γ)，发送速率平均发送速率为第l个中继节点的发送功率为Prl(γ)，发送速率我们的目的是对发送功率和指示变量进行优化，使系统在满足源节点的平均功率约束和中继节点因果约束的条件下，获得最大的平均吞吐量。该优化问题可表示为如下数学问题：
其中，Pa为源节点的平均功率约束，第四个约束条件表示中继节点接收的能量应大于等于采集的能量。
我们通过变量替换将上述问题转化为凸优化问题。令由于凸优化问题具有强互易性，我们通过最小化互易函数来获得(1)的最优解。(1)的互易函数可表示为：
其中，L表示和(1)相关的拉格朗日乘子式，μ,v,θ为相应的拉格朗日乘子。利用欧拉方程，可以得到(2)的最优解为：
同时，L相对于ρl(γ),的偏导可表示为
从(4)式可以看出，和仅和信道信息相关。因此，ρl(γ),的最优值必然在端点处取得。若否则，令
若则否则如果则
最小化互易函数的问题可表示为：
上述问题可通过次梯度法求解。最优的拉格朗日乘子可通过如下迭代算法计算：
其中，n表示迭代次数，m为常数，[x]+表示x在集合内的投影，
图2展示了当中继节点的个数为0-3时，系统平均吞吐量和源节点平均发送功率的关系。我们所采用的系统模型如图1所示。S和D之间的距离为10m；S和第一个中继节点R1之间的距离为1m；S和第二个中继节点R2，第三个中继节点R3之间的距离为R2，R3和D之间的距离为S和中继节点之间的信道的小尺度衰落服从均值为0，方差为1的复高斯分布；D和中继节点之间的信道的小尺度衰落服从均值为0，方差为1的复高斯分布。S和D之间的直达径服从从均值为0，方差为0.01的复高斯分布。从图2中可以看出，当L＝1，2时，相比无中继传输，采用无线能量充电的中继节点显著提高了系统的平均吞吐量。但当L从2增加到3时，系统吞吐量只有轻微提高。

Claims (4)

1.一种采用机会性能量采集的多中继系统的协作传输方法，包括如下步骤：
(1)源节点S根据所有中继节点和目的节点发送的导频信息估计所有S-R和S-D链路的信道信息γsl,l＝0,…,L，式中，L表示中继节点的个数，γs0表示S-D链路的信道信息；同时，每个中继节点根据目的节点D发送的导频信息估计每条R-D链路的信道信息γrm,m＝1,…L；
(2)源节点S和所有中继节点启动计时器，源节点S的计时器的初始值式中，γ＝[γs1,…,γsL]，ρl(γ)为指示变量，l＝0,…,L,表示取中的最大值；当l＝0时，当1≤l≤L时，，其中，表示源节点S向目的节点D发送信息的最优功率，表示源节点S向第l个中继节点发送信息的最优功率，N0表示噪声功率；第l个中继节点的计时器的初始值 其中，νl为拉格朗日乘子，表示第l个中继节点的最优发送功率；计时器先减为0的节点被设为发送节点，发送节点发送一个广播信号，接收到广播信号的节点停止计时；
(3)若源节点S为发送节点，源节点S计算指示变量ρl(γ)：若ρ0(γ)＝1，源节点S直接通过直达径向目的节点D发送信息，所有中继节点处于能量采集状态；若ρl(γ)＝1，源节点S向第l个中继节点发送信息，其余中继节点采集能量，目的节点D通过直达径获得部分信息；
(4)若第l个中继节点为发送节点，该中继节点利用采集的能量对接收的信息进行解码前传；在第l个中继节点发送期间，其余中继节点处于能量采集状态。
2.根据权利要求1所述采用机会性能量采集的多中继系统的协作传输方法，其特征在于，所述步骤(3)中，若ρ0(γ)＝1，源节点S直接通过直达径向目的节点D发送信息，发送功率
，
式中，θ,为拉格朗日乘子，η为中继节点的能量转化效率，[x]+＝max(x,0)；
若ρl(γ)＝1，源节点S向第l个中继节点发送信息，发送功率通过求解二元一次方程
获得，式中，μl为拉格朗日乘子。
3.根据权利要求2所述采用机会性能量采集的多中继系统的协作传输方法，其特征在于，所述步骤(4)中，发送功率
4.根据权利要求1所述采用机会性能量采集的多中继系统的协作传输方法，其特征在于，指示变量ρl(γ)的计算方法为：若ρ0(γ)＝1；否则，令若则否则如果则l'表示中继节点的序号；表示中的最大值；
表示取中的最大值对应的l。
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