CN108449775B - 一种射频能量捕获网络中继节点选择方法 - Google Patents

Abstract

一种射频能量捕获网络中继节点选择方法，包括如下步骤：1)设置中继电池的能量阈值Z，用于判定该节点在某时隙是否能成为协助源节点传输信息的候选中继节点；2)设置活动中继节点个数阈值Y，用于决定该时隙用中继节点进行协助传输，还是给中继节点充电；并在活动中继节点个数大于给定阈值Y时，给出实际参与中继节点的个数X；3)利用马尔科夫链对中继节点电池的充放电过程来进行建模，得出该无线网络达到稳定状态时的中断概率以及吞吐量表达式；4)在网络吞吐量最大和网络中断概率最小的条件约束下，得到以上阈值。本发明能够给出合适的中继选择的阈值标准，在每个时隙中选出合适个数的中继节点来协助传输，并同时提高整个网络的吞吐量。

Description

一种射频能量捕获网络中继节点选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络领域，特别是涉及一种射频能量捕获网络的中继节点选择方法。

背景技术

传统的无线网络设备在日常生活中已经得到了较为广泛的应用，而由于电池技术的改进还没有跟上移动能源需求的增长，这会影响到用户的体验。目前较为适合的解决方案是引入射频(Radio Frequency，RF)能量传输技术。为了实现RF能量传输，需要为设备添加新的模块，即RF能量接收器。如图1所示，RF能量接收器通常由以下组件所组成：接收天线(或天线阵列)，匹配网络(Matching Network，MC)，射频直流(Direct Current，DC)转换器/整流器。接收天线可以设计成工作在单频或多频带，使用整流电路转换器可把RF信号(本质上是交流信号)转换成直流电压，使其能够直接为负载供电或者为能量存储器充电。射频能量接收器的转换效率取决于射频能量接收器的天线精度和转换器之间的阻抗，以及将接收到的射频信号整流为直流电压的转换器的效率。在RF能量转移过程中，所收获的能量可以利用Friis公式来进行计算。

尽管RF能量有很多好处，但它也有着不利的因素：在距离上的具有高衰减的特性。协作通信技术作为一种新的技术方案，可在一定程度上克服这一不利条件，在信息接收的可靠性、能量效率和网络容量这几个方面，提高无线传输的整体质量。图2给出了典型的三节点协作通信系统模型。

设计有效的协作协议是实现无线网络中的协作通信的重要问题。而目前大多能应用在中继节点上以处理从源节点接收的信号的策略并没有比较一致的最优解决方案。这些方案大体上可以分为两类：通过某些标准选择当前时隙最优的某一个节点来协助传输；或者选择所有的可用节点来协助转发数据。这两类解决方案共同的一个不足是：没有考虑到，在各个时隙内所选择的中继节点个数可以存在一个折衷。从这一角度来看，现有的方案还可以得到进一步的优化，提高无线网络的效率。

发明内容

为了克服已有射频能量捕获网络缺乏合适的中继选择标准、无线网络效率较低的不足，本发明提供一种射频能量捕获网络中继节点选择方法，能够给出合适的中继选择的阈值标准，在每个时隙中，选出合适个数的中继节点来协助传输，并同时提高整个网络的吞吐量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种射频能量捕获网络中继选择方法，包括如下步骤：

步骤1：设置中继电池的能量阈值Z，用于判定该节点在某时隙是否能成为协助源节点传输信息的候选中继节点；

步骤2：设置活动中继节点个数阈值Y，用于决定该时隙用中继节点进行协助传输，还是给中继节点充电；并在活动中继节点个数大于给定阈值Y时，给出实际参与中继节点的个数X；

步骤3：利用马尔科夫链对中继节点电池的充放电过程来进行建模，得出该无线网络达到稳定状态时的中断概率以及吞吐量表达式；

步骤4：在网络吞吐量最大和网络中断概率最小的条件约束下，得到中继节点电池能量阈值Z、活动节点个数阈值Y和实际参与中继传输的节点个数阈值X的值。

进一步，所述步骤1中，为中继节点设定电池能量阈值Z，只有某中继节点的能量大于该阈值时，该节点才能够在当前周期被选择为候选中继节点。

再进一步，所述步骤2中，满足电池能量阈值Z的中继节点称为活动节点，包括以下分步骤：

步骤21：当网络中活动节点的个数少于给定阈值Y时，表明网络节点能量总体偏少，应该继续补充能量，在该时隙不进行协助传输；

步骤22：反之，当网络中活动节点的个数大于给定阈值Y时，则在活动节点中选择X个节点作为中继节点协助传输数据。

更进一步，所述步骤3包括以下分步骤，

步骤31：把电池所处的能量级离散化，将电池的充放电过程转化为马尔科夫链中的状态变化；

步骤32：求出稳态时中继节点的能级概率；

步骤33：得出稳态时的网络中的概率与吞吐率。

所述步骤4包括以下分步骤：

步骤41：在阈值X、Y、Z的约束下，进行网络吞吐量最大化建模；

步骤42：将阈值Z离散化处理，用小范围的穷举得到合适的X、Y、Z阈值。

本发明的有益效果主要表现在：能够找到一种节点能量阈值的设置标准，根据所设置的阈值在各个时隙中逐步确定该时隙参与协助传输的中继节点，从而进一步减少网络的中断，并同时提高整个中继网络传输时的吞吐量。

附图说明

图1是一种典型射频能量接收设备的结构；

图2是一种典型的三节点协作通信系统模型；

图3是一种射频能量捕获网络模型示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图3，一种射频能量捕获网络中继节点选择方法，所述方法包括如下步骤：

1)设置中继电池的能量阈值Z，用于判定该节点在某时隙是否能成为协助源节点传输信息的候选中继节点；

2)设置活动中继节点个数阈值Y，用于决定该时隙用中继节点进行协助传输，还是给中继节点充电；并在活动中继节点个数大于给定阈值Y时，给出实际参与中继节点的个数X；

3)利用马尔科夫链对中继节点电池的充放电过程来进行建模，得出该无线网络达到稳定状态时的中断概率以及吞吐量表达式；

4)在网络吞吐量最大和网络中断概率最小的条件约束下，得到中继节点电池能量阈值Z、活动节点个数阈值Y和实际参与中继传输的节点个数阈值X的值。

进一步，所述步骤1)中，为中继节点设定电池能量阈值Z，只有某中继节点的能量大于该阈值时，该节点才能够在当前周期被选择为候选中继节点。

再进一步，所述步骤2)中，满足电池能量阈值Z的中继节点称为活动节点，所述步骤2)包括以下分步骤：

21)：当网络中活动节点的个数少于给定阈值Y时，表明网络节点能量总体偏少，应该继续补充能量，在该时隙不进行协助传输；

22)：反之，当网络中活动节点的个数大于给定阈值Y时，则在活动节点中选择X个节点作为中继节点协助传输数据。

更进一步，所述步骤3)包括以下子步骤：

31)：把电池所处的能量级离散化，将电池的充放电过程转化为马尔科夫链中的状态变化；

32)：求出稳态时中继节点的能级概率；

33)：得出稳态时的网络中的概率与吞吐率。

更进一步，所述步骤4)包括以下子步骤：

41)：在阈值X、Y、Z的约束下，进行网络吞吐量最大化建模；

42)：将阈值Z离散化处理，用小范围的穷举得到合适的X、Y、Z阈值。

本发明所述的一种射频能量捕获网络中继节点选择方法，其主要的应用场景可抽象表示为图3所示的一种带有一个源节点S，一个目的地节点D，以及N个中继节点L_u的无线供能协作网络模型。S与D有固定的能量供应，L_u没有固定的能量供应，但配有能量收集电路和蓄电池，能收集源节点发射的RF信号并存储起来。L_u配有单天线，收集能量与传输信息不能同时进行。设源节点的发送功率为P_s，每个单独传输块的持续时间为T，一次从S至D的传输要经过两个时隙，则S→L_u与L_u→D各占T/2。

中继点L_u从源节点S接收的信号

从源节点S发出信息信号x，h_u代表从S→L_u的信道增益，n₁表示均值为0，方差为N₀的高斯白噪声。

当L_u没有被选择时，其接收信号y_u会被转化为能量储存到电池，节点L_u在第一个时隙中可以收集到的能量为

其中0<η<1表示能量转化效率，在这里我们没有考虑从噪声中捕获的能量，因为环境噪声的功率通常非常小，几乎可以忽略。另一方面，如果L_u在第一个时隙把信号用于解码信息，那么它将不能捕获能量。

用

表示能够无错误解码源节点信号的一个包含节点L_u集合，在后一个时隙内，此集合中的节点一同协助S发送信号，则对于此集合中的一个特殊节点L_u，可设其发送的信号为

其中ρ_u表示中继节点L_u在集合

的一个权值，能够最大化端到端信噪比的L_u的最佳权重可以取

其中g_u表示L_u→D的信道增益，

是g_u的复共轭，有

因此，在D处接收的信号为

其中n₂表示均值为0，方差为N₀的高斯白噪声

目的地节点所接收到的信号的信噪比为

本发明提出的中继节点选择方案主要基于两个阈值，分两步来对中继节点进行选择的。具体的来讲，在每个时间块开始前，先比较每个中继节点的当前能量，若其大于或等于Z，则把它作为活动节点，用ω来表示活动节点所在的集合。另外再设定一个活动节点个数的阈值Y，当活动节点的个数|ω|≥Y时，就从集合ω中，选出X个节点来协助源节点S进行传输。而当活动节点的个数|ω|<Y时，则认为活动节点的个数过少，网络应该继续补充能量，在该时隙不进行传输。之所以用这种方式，是考虑到了当前时隙选择的节点数目会对网络吞吐率产生影响。在ω中选择X个中继节点进行传输，在满足当前时隙传输的前提下，还可以留下Y-X个活动节点，供之后的时隙来选择，从而使得整个网络取得更好的长期吞吐率。用集合

来表示被选择节点L_u的集合，

表示该集合中节点的个数，用X表示。各个变量之间的关系可以表示为

其中

表示节点L_u的当前能量，对于从活动节点集合ω中选出X个节点的方法，若进行穷举比较，则在每个时隙的选择中，会有

种可能，计算的复杂度比较高。而考虑到电池容量的限制，应该要尽量避免中继节点过度充电，故认为当前能量较多的节点应该优先被选择进行传输。即先从活动节点集合ω中，选出当前能量最多的X个节点，使其在第一个时隙尝试解码源节点的信息，然后再从中选出能够正确解码的节点来协助传输。

进一步，利用马尔科夫链来描述中继节点电池充放电行为。

令θ_u[m]∈{θ_E,θ_I},m＝1,2,3,…,表示节点u在m时间块的传输模式。其中θ_E表示进行能量捕获，而θ_I表示转发信息。

其中

表示节点L_u在时隙m时的当前能量。用ζu∈{0,1}表示中继u是否成功解码，0表示失败，1表示成功，则

其中

表示协助传输时所要消耗的能量。在后面的计算中，不失一般性，取T＝1。设ε_i＝iC/M,i∈{0,1,2,…,M}，用S_i代表当前能级ε_i且令

表示节点L_u从一个能量状态变为另一个能量状态的概率，从而

其中的

等价于

|h_u|²所服从的分布函数为

其中

是伽马函数，

为路径增益，

从而就可以求得

接着计算第u个中继节点没有正确解码的概率Pr{ζ_u＝0}

利用不同信噪比下的误码率的近似函数

利用公式(10)可得到中继节点信噪比的概率分布函数

其中

由(13)(14)可得

根据以上计算，可以求出在这种情况下的转移概率为

同理，可以得到

用

来表示对于中继节点L_u的转移概率矩阵，对于任一节点L_u，其稳定时的状态满足下列等式

π_u＝(π_u,0,π_u,1,…,π_u,M)^T＝(K_u)^Tπ_u (20)

其中(·)^T表示矩阵转置，由(20)进一步可以得到

π_u＝((K_u)^T-I+B)^-1b (21)

其中

b＝(1,1,…,1)^T。

进一步，网络的中断概率可以表示为

其中O代表中断事件，Λ＝{L₁,L₂,…,L_N}表示所有中继节点的一个集合，之前已经提到过，

代表当前时隙所选择的中继节点的一个集合，而ω代表当前时隙活动节点的一个集合，那么

其中

表示所选的节点集合为空集的概率。式子中的第二项表示网络中活动节点个数不足Y个的情况，如第三节所提到的选择策略，在这种情况下不进行协助传输。最后的第三项表示网络中活动节点个数至少有Y个的情况。

同理，可以计算出

当集合ω_k,n已定时，如上文所提到的策略，选择能量最多的X个节点来协助传输，那么在该时隙，那么其对应的中继节点集合

也就已经决定，因此有

为了求出上式中的概率

需要先得到中继点集合

在目的地节点产生的信噪比

其累积分布函数可以近似为伽马函数并表示为

其中

是下不完全伽马函数，

是衡量L_u和D之间信道衰落的一个参数，

为路径增益。进一步对(27)式扩展，用

来进行简化表达式可以得到

然后利用

函数，可得

其中γ^*表示该网络中断概率的信噪比阈值。所以有

然后将(24)(25)(30)式都代入(23)式中，便可以得到稳定状态时网络的中断概率P_out。

网络的吞吐率为

其中

为在功率P_S下源节点可以达到的数据发送速率。

下面来对吞吐率τ进行优化

arg maxτ(X，y，Z)

吞吐率τ的自变量为X，Y，Z，其中X与Y是小于N的整数，Z是区间[∈₁,C]内的一个数。对于这样一个问题的求解，考虑将自变量Z离散化，然后再对X,Y,Z进行穷举来得到最优解。X,Y是区间[1,N]内的整数，将区间[∈₁,C]等分为M份,把Z离散化，即让

Z∈{∈₁,∈₂,…,C} (33)通过穷举来找到使τ最优的X,Y,Z取值的复杂度为O((M+1)N²)，对于给定配置的中继网络，其中继节点的个数N一般是固定的，所以M是影响计算复杂度的主要因素，该问题的复杂度可看作O(M)，即与等分区间的份数成正比。当M的取值足够大时，通过穷举法是可以得到一个满意解的。下面给出本文所使用的求解最优阈值的算法：

步骤1：初始化变量P_S，中继节点个数N，电池容量C，各节点的位置(x_i,y_i)、距离d_ij、τ_best＝0以及当前能量数组

步骤2：对每一个满足(1≤X≤Y≤N,∈₁≤Z≤C)的X,Y,Z：

步骤21：由公式(16)-(19)来计算节点L_u的状态变化矩阵K_u；

步骤22：通过K_u以及公式(21)来得到稳定状态向量π_u；

步骤23：根据π_u来计算出(24)(25)(30)式，并将三式代入(23)

以得到P_out；

步骤24：由P_out来计算出网络吞吐率τ；

步骤25：如果满足τ>τ_best条件，则更新τ_best并记录所对应的X,Y,Z；

步骤3：输出最终的τ_best，以及对应的X,Y,Z值。

通过以上的算法便可在网络吞吐量最大和网络中断概率最小的条件约束下，得到中继节点电池能量阈值Z、活动节点个数阈值Y和实际参与中继传输的节点个数阈值X的值。

Claims (5)

1.一种射频能量捕获网络中继选择方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：设置中继节点电池的能量阈值Z，用于判定该节点在某时隙是否能成为协助源节点传输信息的候选中继节点；

步骤2：设置活动中继节点个数阈值Y，用于决定该时隙用中继节点进行协助传输，还是给中继节点充电；并在活动中继节点个数大于给定阈值Y时，给出实际参与中继节点的个数X；

步骤3：利用马尔科夫链对中继节点电池的充放电过程来进行建模，得出该射频能量捕获网络达到稳定状态时的中断概率以及吞吐量表达式；

步骤4：在网络吞吐量最大和网络中断概率最小的条件约束下，得到中继节点电池能量阈值Z、活动节点个数阈值Y和实际参与中继传输的节点个数阈值X的值。

2.根据权利要求1所述的射频能量捕获网络中继选择方法，其特征在于：所述步骤1中，为中继节点设定电池能量阈值Z，只有某中继节点的能量大于该阈值时，该节点才能够在当前周期被选择为候选中继节点。

3.根据权利要求1或2所述的射频能量捕获网络中继选择方法，其特征在于：所述步骤2中，满足电池能量阈值Z的中继节点称为活动节点，包括以下分步骤：

步骤21：当网络中活动节点的个数少于给定阈值Y时，表明网络节点能量总体偏少，应该继续补充能量，在该时隙不进行协助传输；

步骤22：反之，当网络中活动节点的个数大于给定阈值Y时，则在活动节点中选择X个节点作为中继节点协助传输数据。

4.根据权利要求1或2所述的射频能量捕获网络中继选择方法，其特征在于：所述步骤3包括以下分步骤，

步骤31：把电池所处的能量级离散化，将电池的充放电过程转化为马尔科夫链中的状态变化；

步骤32：求出稳态时中继节点的能级概率；

步骤33：得出稳态时的网络中的概率与吞吐率。

5.根据权利要求1或2所述的射频能量捕获网络中继选择方法，其特征在于：所述步骤4包含以下分步骤：

步骤41：在阈值X、Y、Z的约束下，进行网络吞吐量最大化建模；

步骤42：将阈值Z离散化处理，用小范围的穷举得到合适的X、Y、Z阈值。

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