CN108337734A - 认知传感网络中基于解码转发协作的无线携能通信方法 - Google Patents

Abstract

一种认知传感网络中基于解码转发协作的无线携能通信方法，在该方法中，源传感器节点发送信息给中继传感器节点，中继传感器节点使用功率分割因子分割接收到的信号，一部分用于能量收集，剩余部分用于信息接收，中继传感器节点利用其收集到的全部能量E解码转发源传感器节点的信息到目的传感器节点。本发明充分考虑主用户对认知传感器节点造成的干扰，能够准确获得认知传感网络的性能，并且通过两步分解方法能够快速获得源传感器节点的发送功率和中继传感器节点的功率分割因子最优值。

Description

认知传感网络中基于解码转发协作的无线携能通信方法

技术领域

本发明属于认知传感网络领域中的无线携能通信技术领域，尤其是一种携能通信方法。

背景技术

认知无线电被视为一种解决频谱资源稀缺问题的有效技术。而无线传感器网络中的传感器通常是利用固定的且日益拥挤的非授权频谱进行通信。所以，认知无线电技术可以被用在无线传感器网络中，并且这种类型的认知网络可称为认知传感网络。同时，传感器一般使用固定的电源进行供电，这就导致传感器的使用寿命非常有限。而更换电池不仅昂贵而且在一些应用领域难以实现。为了提高传感器的使用寿命，能量收集作为一种有效的技术得到了广泛的关注。不同于一般的能量收集技术，无线携能通信技术通过接收周围环境中的射频信号，在获取信息的同时进行能量收集，特别适用于像传感器这样的低功耗应用。

在现有的采用无线携能通信技术的认知传感网络中，一般都没有考虑主用户对认知传感器节点造成的干扰，但是当主用户与认知传感器节点之间的信道较好的时候，主用户对认知传感器节点的干扰非常大，忽略这个干扰会对认知传感器节点的性能造成很大的影响；而且在上述网络中源传感器节点发送功率和中继传感器节点功率分割因子是通过搜索方法得到最优值，效率非常低。

发明内容

为了克服现有技术获得源传感器节点发送功率和中继传感器节点功率分割因子最优值效率低的不足，为了能够准确获得采用无线携能通信技术的认知传感网络中认知传感器节点的性能，本发明充分考虑主用户对认知传感器节点造成的干扰，提供一种快速获得源传感器节点的发送功率和中继传感器节点的功率分割因子最优值的基于解码转发协作的无线携能通信方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种认知传感网络中基于解码转发协作的无线携能通信方法，本发明以认知传感网络为背景，认知传感网络由一个主网络和一个认知网络组成；主网络包含一对主用户，即一个主用户发送端PT和一个主用户接收端PR；认知网络由三个传感器节点组成，源传感器节点SSN、中继传感器节点SSR和目的传感器节点SSD；整个传输过程被分为两个时隙，每个时隙各占传输时间的所述认知传感网络中基于解码转发协作的无线携能通信方法包括以下步骤：

1)在第一时隙中，主用户发送端发送信息给主用户接收端，会对中继传感器节点产生干扰。源传感器节点发送信息给中继传感器节点，中继传感器节点使用功率分割因子λ分割接收到的信号，0≤λ≤1，其中λ部分用于能量收集，剩余(1-λ)部分用于信息接收；

2)在第二时隙中，主用户发送端发送信息给主用户接收端，会对目的传感器节点产生干扰。中继传感器节点利用其收集到的全部能量E解码转发源传感器节点的信息到目的传感器节点；

源传感器节点的发送功率和中继传感器节点的功率分割因子联合分配问题建模为：

满足以下条件

其中，P_s和P_p分别表示源传感器节点和主用户发送端的发送功率，P_max表示源传感器节点的最大发送功率，表示在中继传感器节点上接收信号的噪声功率，η表示中继传感器节点的能量转换效率，h_SSN,RSN，h_PT,RSN，h_SSN,PR和h_RSN,PR分别表示源传感器节点到中继传感器节点，主用户发送端到中继传感器节点，源传感器节点到主用户接收端和中继传感器节点到主用户接收端的信道系数，I_th表示认知传感器节点对主用户造成干扰的干扰门限，R_d表示认知传感网络的速率；

通过两步分解方法获得上述的最优源传感器节点发送功率和中继传感器节点分割因子为：

其中：A＝|h_SSN,RSN|²，D＝η|h_SSN,RSN|²|h_RSN,DSN|²， t(P_s)＝(CDP_s+CE+AFP_s)²-4(BDP_s+BE)AFP_s，P_s ^C1＝I_th/|h_SSN，PR|²，P_s ^C3＝P_max，h_RSN,DSN和h_PT,DSN分别表示中继传感器节点到目的传感器节点和主用户发送端到目的传感器节点的信道系数，和分别表示在目的传感器节点和中继传感器节点信号接收器上由RF信号转换成基带信号产生的噪声功率。

进一步，所述步骤1)中，中继传感器节点获得的速率表示为：

中继传感器节点获得的能量表示为：

中继传感器节点把所获得的能量全部用于帮助转发源中继节点的信息，则中继传感器节点的发送功率为：

再进一步，所述步骤2)中，目的传感器节点获得的速率表示为：

经过两个时隙传输后，认知传感网络的速率表示为：

R_d＝min(R_RSN,R_DSN) (9)。

本发明的技术构思为：在现有的采用无线携能通信技术的认知传感网络中，一般都没有考虑主用户对认知传感器节点造成的干扰，但是当主用户与认知传感器节点之间的信道较好的时候，主用户对认知传感器节点的干扰非常大，忽略这个干扰会对认知传感器节点的性能造成很大的影响；而且在上述网络中源传感器节点发送功率和中继传感器节点功率分割因子是通过搜索方法得到最优值，效率非常低。本发明在考虑主用户对认知传感器节点造成的干扰的前提下，快速获得源传感器节点发送功率和中继传感器节点功率分割因子的最优值，从而最大化认知传感网络的速率。

本发明的所做出的贡献主要表现在：(1)考虑了主用户对认知传感器节点产生的干扰，准确获得认知传感网络的性能；(2)提出了一种快速获得源传感器节点的发送功率和中继传感器节点的功率分割因子最优值的基于解码转发协作的无线携能通信方法。

附图说明

图1是本发明方法的认知传感网络模型图，其中PT为主用户发送端，PR为主用户接收端，SSN为源传感器节点，SSR为中继传感器节点，SSD为目的传感器节点。

图2是认知传感网络的速率随源传感器节点和中继传感器节点间距离的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参考图1和图2，一种认知传感网络中基于解码转发协作的无线携能通信方法，是基于现有的认知传感网络实现的，所述认知传感网络由一个主网络和一个认知网络组成；主网络包含一对主用户，即一个主用户发送端PT和一个主用户接收端PR；认知网络由三个传感器节点组成，分别是源传感器节点SSN、中继传感器节点SSR和一个目的传感器节点SSD；整个传输过程被分为两个时隙，每个时隙各占传输时间的

本实施方式的方法中，主用户发送端在第一时隙发送信息给主用户接收端，会对中继传感器节点产生干扰，同时源传感器节点发送信息给中继传感器节点，中继传感器节点使用功率分割因子λ分割接收到的信号，0≤λ≤1，其中λ部分用于能量收集，剩余(1-λ)部分用于信息接收；在第二时隙，主用户发送端发送信息给主用户接收端，会对目的传感器节点产生干扰，中继传感器节点利用其收集到的全部能量E解码转发源传感器节点的信息到目的传感器节点。

本实施方式中中继传感器节点的速率R_RSN和收集到的能量E可以通过以下方法获得：

其中，A＝|h_SSN,RSN|²，P_s和P_p分别表示源传感器节点和主用户发送端的发送功率，和分别表示在中继传感器节点和在目的传感器节点上接收信号的噪声功率，h_SSN,RSN和h_PT,RSN分别表示源传感器节点到中继传感器节点和主用户发送端到中继传感器节点的信道系数。

目的传感器节点的速率表示为：

其中，D＝η|h_SSN,RSN|²|h_RSN,DSN|²， η表示中继传感器节点的能量转换效率，h_RSN,DSN和h_PT,DSN分别表示中继传感器节点到目的传感器节点和主用户发送端到目的传感器节点的信道系数，表示在中继传感器节点信号接收器上由RF信号转换成基带信号产生的噪声功率。

经过两个时隙传输后，认知传感网络的速率表示为：

R_d＝min(R_RSN,R_DSN) (9)

本发明联合资源优化的具体实施方法为：

源传感器节点的发送功率和中继传感器节点的功率分割因子联合分配问题建模为：

满足以下条件

其中I_th表示认知传感器节点对主用户造成干扰的干扰门限，P_max源传感器节点的最大发送功率，h_SSN,PR和h_RSN,PR分别表示源传感器节点到主用户接收端和中继传感器节点到主用户接收端的信道系数。

通过两步分解方法获得上述的最优源传感器节点发送功率和中继传感器节点分割因子为：

其中t(P_s)＝(CDP_s+CE+AFP_s)²-4(BDP_s+BE)AFP_s，P_s ^C1＝I_th/|h_SSN，PR|²，P_s ^C3＝P_max，

本实施例的认知传感网络中基于解码转发协作的无线携能通信方法，能够准确获得认知传感网络的性能，并且快速获得源传感器节点的发送功率和中继传感器节点的功率分割因子最优值。

在本实施方式中，SSN→RSN链路和RSN→DSN链路的距离的和为2m，SSN→PR链路，RSN→PR链路，PT→RSN链路，PT→DSN链路的距离固定为2m，所有链路的信道都假定为瑞利衰落信道。噪声功率设置为0.01W，能量转换效率η＝0.8，源传感器节点的最大发送功率为2W，主用户发送端的发送功率为2W。图2中显示了本发明的源传感器节点的发送功率和中继传感器节点的功率分割因子联合分配方法与搜索法之间没有性能间隙，而时间复杂度大大减少了。同时，从图2中显示了随着源传感器节点和中继传感器节点的距离逐渐变大，认知传感网络的速率在逐渐变小。

Claims (3)

1.一种认知传感网络中基于解码转发协作的无线携能通信方法，认知传感网络由一个主网络和一个认知网络组成；主网络包含一对主用户，即一个主用户发送端PT和一个主用户接收端PR；认知网络由三个传感器节点组成，即源传感器节点SSN、中继传感器节点SSR和目的传感器节点SSD；整个传输过程被分为两个时隙，每个时隙各占传输时间的其特征在于：所述认知传感网络中基于解码转发协作的无线携能通信方法包括以下步骤：

1)在第一时隙中，主用户发送端发送信息给主用户接收端，会对中继传感器节点产生干扰，源传感器节点发送信息给中继传感器节点，中继传感器节点使用功率分割因子λ分割接收到的信号，0≤λ≤1，其中λ部分用于能量收集，剩余(1-λ)部分用于信息接收；

2)在第二时隙中，主用户发送端发送信息给主用户接收端，会对目的传感器节点产生干扰，中继传感器节点利用其收集到的全部能量E解码转发源传感器节点的信息到目的传感器节点；

源传感器节点的发送功率和中继传感器节点的功率分割因子联合分配问题建模为：

满足以下条件

其中，P_s和P_p分别表示源传感器节点和主用户发送端的发送功率，

P_max表示源传感器节点的最大发送功率，表示在中继传感器节点上接收信号的噪声功率，η表示中继传感器节点的能量转换效率，h_SSN,RSN，h_PT,RSN，h_SSN,PR和h_RSN,PR分别表示源传感器节点到中继传感器节点，主用户发送端到中继传感器节点，源传感器节点到主用户接收端和中继传感器节点到主用户接收端的信道系数，I_th表示认知传感器节点对主用户造成干扰的干扰门限，R_d表示认知传感网络的速率；

通过两步分解方法获得上述的最优源传感器节点发送功率和中继传感器节点分割因子为：

其中：A＝|h_SSN,RSN|²，D＝η|h_SSN,RSN|²|h_RSN,DSN|²，

t(P_s)＝(CDP_s+CE+AFP_s)²-4(BDP_s+BE)AFP_s，P_s ^C1＝I_th/|h_SSN,PR|²，

P_s ^C3＝P_max，h_RSN,DSN和h_PT,DSN分别表示中继传感器节点到目的传感器节点和主用户发送端到目的传感器节点的信道系数，和分别表示在目的传感器节点和中继传感器节点信号接收器上由RF信号转换成基带信号产生的噪声功率。

2.如权利要求1所述的基于解码转发协作的资源联合优化方法，其特征在于：所述步骤1)中，中继传感器节点获得的速率表示为：

中继传感器节点获得的能量表示为：

中继传感器节点把所获得的能量全部用于帮助转发源中继节点的信息，则中继传感器节点的发送功率为：

3.如权利要求1或2所述的认知传感网络中基于解码转发协作的无线携能通信方法，，其特征在于：所述步骤2)中，目的传感器节点获得的速率表示为：

经过两个时隙传输后，认知传感网络的速率表示为：

R_d＝min(R_RSN,R_DSN) (9)。