CN109067488B - 基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法，属于能量收集、无线信息与能量传输领域。包括构建无线网络的信息与能量双向传输系统模型；根据射频信号的特点，建立中继节点信号接收模型、中继节点信号转发模型、源节点信号接收模型以及信息节点能量信号接收模型；提出连续时隙能量累积分析能量累积协议与离散时隙能量累积协议，分别进行能量累积分析，得出系统吞吐量；以最大化系统吞吐量为目的，优化系统性能；本发明将基于能量累积的双向信息与能量中继协作传输方法应用在无线网络中，提出信息与能量传输方法，在提高能量效率的基础上，实现了信息与能量的双向最优传输。

Description

基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法

技术领域

本发明涉及能量收集、无线信息与能量传输领域，具体是基于能量累积的双向信息与能量中继协作传输方法。

背景技术

在无线网络中，如何延长网络生存期始终是组网时一个重要的考核指标和技术瓶颈，受到业界学者的广泛关注。其中，能耗问题又成为延长网络生存期的关键技术难点，最直观的解决办法是降低传感器节点的能量消耗，除此之外，如何实现无线网络的自供能，减少传统无线网络能量不足时中断概率的发生吸引了大批国内外的学者。在传统的无线网络中，传感器节点能量供给方式多为电池供应，由于电池的能量有限，网络的持续性大大降低。应用传感器节点进行能量收集，实现传感器网络的自供能，在经济环保的基础上延长网络的生存期。传统的能量收集方式包括将太阳能、风能、动能及机械能等能量转化成电能供传感器节点使用，多种能量获取方式均可替代电池供电但皆存在缺陷，因此，一种新的能量获取方式应运而生——从射频信号(radio-frequency signal，RF signal)中获取能量。射频信号既可以携带信息又可以携带能量，应用这一特点，传感器节点可以同时进行信息接收和能量获取两个进程。应用射频信号进行节点能量的获取同时完成信息的接收，收集的能量用于该节点信息的传递与转发，这一过程叫做信息与能量同传技术(simultaneouswireless information and power transfer，SWIPT)。

对于信息与能量同传技术的研究，由于节点间存在遮挡或者衰减较大会导致节点间的直接传输收到影响或者中断，因此通常引入中继节点的协助传输，中继节点通常帮助源节点向目的节点传输信息或者能量。2016年Y.Liu假设在无线网络中，传感器节点可以同时从射频信号中提取信息和能量。然而这种接受机制实现的可能性低，在同一个信号中，传感器节点只能完成信息传输或能量收集一种，无法实现信息和能量的同时传输。2013年A.A.Nasir针对中继能量受限的无线网络提出了两种协作传输算法：基于时间分配传输协议与基于功率分配传输协议，中继节点可以在直接链路受阻的情况下完成信息与能量的协作传输，提高系统吞吐量。中继节点首先从源节点发送的射频信号中收集能量，之后转发源节点的信息到目的节点。基于上述两种中继协作协议。2016年Z.Zheng提出了点对点中继系统的资源分配策略。2017年L.Wang提出一种自适应接收机制，这种机制可以实现两种协作模型的最优切换。2016年Y.Zeng基于中继传输构建出一种新型传输模型，适应于当某个节点准备向源节点发送信息，但其能量不足以支持本次信息传输的情况。信息节点首先通过射频信号接收足够的能量，随后进行信息的发送。2015年J.Liu研究了基于HTC(先收集能量再进行协作)协议的协作通信系统。2017年W.Wang考虑信道状态信息未知的状况下无线传输模型，在信息传输和能量收集之前，源节点会发送一个导频信号用于获取信道状态信息。此外，在无线网络中信道状态变化频繁，信道状态良好时以大功率传输信息会造成能量的浪费，信道状况差时传输信息将会有更大的概率造成传输中断，为解决这一难题，2015年A.A.Nasir提出一种中继传输协议，根据信道状况选择是否进行信息的传递。目前国内外虽有大量的研究针对无线网络信息与能量传输策略，但对于基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法的研究较匮乏。并且现存的一些信息与能量同时传输的方法以及其优化方法有较多的局限性。首先，现有的方法不能够进行能量累积，当能量接收节点接收能量的能力受到限制的时候，并且能量发送节点却可以无限制的发送出大量的能量，这样就会导致供大于求，并不能由能量接收节点完全接收和利用，有很大部分的能量资源在传输中被白白浪费，进而导致能量利用率降低，这个时候能量的累积便具有了重要的意义。其次，对于现在研究的大部分的信息与能量的同传问题，还都是集中在单方向的点对点的传输，节点间单向的传输是研究的基础，但是在实际情况下，节点间的信息或者能量也是需要双向传输的，所以采用创新性的双向传输具有重要的研究价值。最后，根据目前的研究现状来看，能量累积与时间分配和功率分配策略进行结合提出的协作算法还是鲜少见的，这将是很有研究前景的一种传输算法，并且对于系统新能的优化方法还需要进一步提高，

发明内容

本发明提供一种基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法，以解决传统无线网络中能量供应不稳定性问题。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

(一)构建无线网络的信息与能量双向传输系统模型，主要包括系统场景分析、建立信道模型以及分析源节点、中继节点以及信息节点间信息与能量传输过程三个部分；

(二)建立中继节点信号接收模型、中继节点信号转发模型、源节点信号接收模型以及信息节点能量信号接收模型；

(三)提出连续时隙能量累积协议与离散时隙能量累积协议，分别进行能量累积分析，得出系统吞吐量；

(四)以最大化系统吞吐量为目的，优化系统性能。

本发明所述步骤(一)中构建无线网络的信息与能量双向传输系统模型包括：

(1)系统场景分析

系统模型是无线网络中的三节点传输模型，包括源节点(S)、中继节点(R)以及信息节点(U)，固定源节点与信息节点的位置，中继节点放置于源节点与信息节点之间，三个节点处于一条直线上，忽略源节点与信息节点之间的直接传输，当信息节点需要向源节点发送信息时，同时信息节点自身的能量不足以供给本次发送，在发送信息之前，首先从源节点收集能量，再进行信息的发送，设置能量门限值用于判断中继节点剩余能量状态，在中继节点转发来自于信息节点的信息之前，判断中继节点的剩余能量的状态(与能量门限值对比)，当中继节点累积的能量大于能量门限值时，进行信息的转发；

(2)建立信道模型

设定源节点与中继节点、中继节点与信息节点间信道系数分别为h和g，各个节点间的信道都为局部瑞利时隙衰落模型，在一个时隙内信道系数保持不变，不同时隙内信道系数各不相同，信道系数服从均值为0，方差为1的高斯分布，如公式(1)公式(2)所示：

h～N(0,1) (1)

g～N(0,1) (2)

(3)源节点、中继节点以及信息节点间信息与能量传输过程

设定一个时隙的时间为T，τ为时间分配因子，整个时隙T内，τT时间内中继节点接收源节点的射频信号用于中继节点的能量累积，对于剩余的时间(1-τ)T，前一半时间

用于信息从信息节点到中继节点的发送，最后的

时间用于信息的转发。

本发明所述步骤(二)中建立中继节点信号接收模型、中继节点信号转发模型、源节点信号接收模型以及信息节点能量信号接收模型，具体如下：

(1)中继节点信号接收

根据所述的信道模型，中继节点接收信息节点发送的信号形式如公式(3)所示：

其中，y_r表示中继节点接收到的信号形式，

表示路径损耗部分，d₂表示中继节点到信息节点的距离，m代表路径损耗因子，P_u为信息节点传输信息时的发送功率，g为中继节点与信息节点间信道系数，x_u为信息节点发送的归一化信息，E|x_u|²＝1，nr为中继节点的加性高斯白噪声；

(2)中继节点信号转发

中继节点采取放大转发(Amplify and Forward,AF)的模式对接收到的信号进行处理，具体形式如公式(4)所示：

其中x_r代表中继节点转发的信号，P_r为中继节点的发送功率，β为能量限制因子、保证中继节点能量收集与能量发送的平衡，避免发送的能量大于接收能量，

为中继节点的噪声功率；

(3)源节点信号接收

源节点接收的中继节点转发的信号的形式如公式(5)所示：

其中y_s为源节点接收的中继节点转发的信号的形式，d₁为源节点到中继节点的距离，ns是源节点的噪声，源节点处接收信号的信噪比如公式(6)所示：

为源节点的噪声功率；

(4)信息节点能量信号接收

中继节点在向源节点发送信息的同时也向信息节点发送信号，用于信息节点的能量累积，具体形式如公式(7)所示：

本发明所述步骤(三)中的提出连续时隙能量累积协议与离散时隙能量累积协议，分别进行能量累积分析，得出系统吞吐量，具体如下：

设定d₂为中继节点到信息节点的距离，当中继节点到信息节点的距离满足4.6m<d₂<9m时，采用连续时隙能量累积协议：

(1)连续时隙能量累积协议

在此协议中，整个传输过程在一个时隙T内完成，时间分配因子τ是一个在(0，1)区间内变化的数，当τ等于0或1时，整个系统吞吐量为零；

1)能量累积分析

在τT时间内，中继节点接收源节点的能量信号进行能量累积，整个过程能量累积量如公式(8)所示：

其中，η为能效因子，0<η<1，P_s为源节点发送功率，该功率连续且保持一致，此阶段累积的能量用于下一个阶段信息从中继节点转发到源节点，在

时间的信息传输后，能量门限值为

改变发送功率P_r的值，当中继节点累积的能量达到所设定的能量门限值，允许信息的转发，此外，根据上述传输过程，中继节点第一阶段累积的能量全部用于信息的转发，因此能量门限值等于公式(8)中能量的累积量，由此得到公式(9)：

当信道状态良好时，中继转发信息时可以使用较小的发送功率P_r，此时由公式(9)，时间分配因子τ值较小，能量收集的时间较信息传输少，当信道状况不佳时，需要提高发送功率来转发信息，由公式(9)，更多的时间被分配用来进行能量收集；

由公式(7)，信息节点用于下一阶段的转发所收集的能量及功率如公式(10)、(11)所示：

其中，E_u为信息节点能量累积量，P_u为信息节点的发送功率；

2)系统吞吐量分析

依据中断概率、时间分配因子，得到如公式(12)所示的系统吞吐量公式：

其中，R₁为连续时隙能量累积协议的系统吞吐量，O＝P(γ<γ₀)定义为中断因子，P为中断概率，假设γ₀为信噪比门限值，当公式(6)的信噪比小于信噪比门限时，P(γ<γ₀)＝0，信息传输中断，

当中继节点到信息节点的距离满足2m<d₂<4.6m时，采用离散时隙能量累积协议：

(2)离散时隙能量累积协议

在连续时隙能量累积协议中，整个传输过程在一个时隙内完成，在这个过程中，中继节点需要不停地实时查看自身的剩余能量状态，判断是否足够完成信息的转发，为了解决这一问题，在此协议中，时间分配因子τ取1或0，中继节点仅仅需要在每一时隙的初始对自身的剩余能量状态进行查看，假设经过了X时隙后，第(X+1)时隙中继节点的能量累积量超过能量门限值，进行信息传输。在信息传输阶段，T/2用于信息节点向中继节点传输信息，剩余的T/2中继节点将信息转发到源节点；

1)能量累积分析

当某一时隙用于能量累积，在这一时隙内能量累积量如公式(13)所示：

其中E(T)为整个时隙能量累积量，若某一时隙用于信息传输，则此时隙内能量消耗量如公式(14)所示：

其中C(T)为整个时隙能量消耗量，将此能量消耗量作为此协议的能量门限值，只有当能量累积量达到能量门限值时，才允许信息的传输，时间分配因子与能量的关系如公式(15)所示：

信息节点用于下一阶段的转发所收集的能量及功率如公式(16)、(17)所示：

其中，E_u为信息节点能量累积量，P_u为信息节点的发送功率；

2)系统吞吐量分析

系统吞吐量与中断概率和时间分配因子直接相关，时间分配因子受时隙初始能量限制，因此在本协议中，每一时隙的初始能量不都为0，将能量累积的时隙数模拟成泊松分布过程，得出系统吞吐量如公式(18)所示：

其中，R₂为离散时隙能量累积协议的系统吞吐量，X为用于能量累积连续的时隙数，假设

本发明所述步骤(四)中以最大化系统吞吐量为目的，优化系统性能，包括：

如公式(9)所示，时间分配因子的值与中继节点发送功率直接相关，当发送功率偏大时，时间分配因子的值大，反之当发送功率偏小时，时间分配因子的值也小，当中继节点发送功率过大或过小的情况下，系统吞吐量低，存在一个最优中继发送功率P_r*使得系统吞吐量最大，定义连续时隙能量累积协议最优系统吞吐量为

离散时隙能量累积协议最优系统吞吐量为

公式(19)和公式(20)表示系统吞吐量优化过程，通过一维遍历搜索，得到连续时隙能量累积协议最优系统吞吐量，

离散时隙能量累积协议最优系统吞吐量，

设定中继发送功率范围为0～40dBm：

设定中继节点到信息节点的距离值为d₂，固定d₂的值，得出连续时隙能量累计协议与离散时隙能量累积协议的最优系统吞吐量

改变中继节点到信息节点的距离值d₂重复此过程，采用二维遍历搜索方法比较离散时隙能量累积协议与连续时隙能量累积协议的最优系统吞吐量，当2m<d₂<4.6m时，采用离散时隙能量累积协议，当中继节点到信息节点的距离满足，4.6m<d₂<9m时，采用连续时隙能量累积协议，完成系统性能的优化。

本发明的有益效果是：

本发明针对传统电池供给网络中生命周期短、更换困难等问题，将基于能量累积的无线信息与能量中继协作思想应用于无线网络中双向传输模型中，克服现有的技术缺陷，创新性的提出了连续时隙能量累积协议和离散时隙能量累积协议，解决了传统无线网络中能量供应的稳定性问题，极大的延长了网络生存期，在本发明中，为了衡量系统性能，本发明定义了系统吞吐量，并应用一维、二维遍历搜索法优化系统吞吐量，提高能量利用效率，首先构建无线网络的信息与能量双向传输系统模型：分析系统场景、建立信道模型、分析源节点、中继节点以及信息节点间信息与能量传输过程；建立源节点、中继节点以及信息节点间信号的发送、接收模型：分析中继节点信号接收模型、中继节点信号转发模型、源节点信号接收模型以及信息节点能量信号接收模型；提出连续时隙能量累积协议与离散时隙能量累积协议，分别进行能量累积分析，得出系统吞吐量；最后以最大化系统吞吐量为目的，优化系统性能。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明中无线网络的信息与能量双向传输系统模型示意图；

图3是本发明中连续时隙能量累积协议示意图；

图4是本发明中离散时隙能量累积协议示意图；

图5是本发明系统吞吐量随着信息节点发送功率变化的仿真示意图；

图6是本发明系统吞吐量随着中继节点到信息节点的距离变化的仿真示意图。

具体实施方式

包括下列步骤：

(一)构建无线网络的信息与能量双向传输系统模型，主要包括系统场景分析、建立信道模型以及分析源节点、中继节点以及信息节点间信息与能量传输过程三个部分；

(二)建立中继节点信号接收模型、中继节点信号转发模型、源节点信号接收模型以及信息节点能量信号接收模型；

(三)提出连续时隙能量累积协议与离散时隙能量累积协议，分别进行能量累积分析，得出系统吞吐量；

(四)以最大化系统吞吐量为目的，优化系统性能。

本发明所述步骤(一)中构建无线网络的信息与能量双向传输系统模型包括：

(1)系统场景分析

系统模型是无线网络中的三节点传输模型，包括源节点(S)、中继节点(R)以及信息节点(U)，固定源节点与信息节点的位置，中继节点放置于源节点与信息节点之间，三个节点处于一条直线上，忽略源节点与信息节点之间的直接传输，当信息节点需要向源节点发送信息时，同时信息节点自身的能量不足以供给本次发送，在发送信息之前，首先从源节点收集能量，再进行信息的发送，设置能量门限值用于判断中继节点剩余能量状态，在中继节点转发来自于信息节点的信息之前，判断中继节点的剩余能量的状态(与能量门限值对比)，当中继节点累积的能量大于能量门限值时，进行信息的转发；

(2)建立信道模型

设定源节点与中继节点、中继节点与信息节点间信道系数分别为h和g，各个节点间的信道都为局部瑞利时隙衰落模型，在一个时隙内信道系数保持不变，不同时隙内信道系数各不相同，信道系数服从均值为0，方差为1的高斯分布，如公式(1)公式(2)所示：

h～N(0,1) (1)

g～N(0,1) (2)

(3)源节点、中继节点以及信息节点间信息与能量传输过程

设定一个时隙的时间为T，τ为时间分配因子，整个时隙T内，τT时间内中继节点接收源节点的射频信号用于中继节点的能量累积，对于剩余的时间(1-τ)T，前一半时间

用于信息从信息节点到中继节点的发送，最后的

时间用于信息的转发。

本发明所述步骤(二)中建立中继节点信号接收模型、中继节点信号转发模型、源节点信号接收模型以及信息节点能量信号接收模型，具体如下：

(1)中继节点信号接收

根据所述的信道模型，中继节点接收信息节点发送的信号形式如公式(3)所示：

其中，y_r表示中继节点接收到的信号形式，

表示路径损耗部分，d₂表示中继节点到信息节点的距离，m代表路径损耗因子，P_u为信息节点传输信息时的发送功率，g为中继节点与信息节点间信道系数，x_u为信息节点发送的归一化信息，E|x_u|²＝1，nr为中继节点的加性高斯白噪声；

(2)中继节点信号转发

中继节点采取放大转发(Amplify and Forward,AF)的模式对接收到的信号进行处理，具体形式如公式(4)所示：

其中x_r代表中继节点转发的信号，P_r为中继节点的发送功率，β为能量限制因子、保证中继节点能量收集与能量发送的平衡，避免发送的能量大于接收能量，

为中继节点的噪声功率；

(3)源节点信号接收

源节点接收的中继节点转发的信号的形式如公式(5)所示：

其中y_s为源节点接收的中继节点转发的信号的形式，d₁为源节点到中继节点的距离，ns是源节点的噪声，源节点处接收信号的信噪比如公式(6)所示：

为源节点的噪声功率；

(4)信息节点能量信号接收

中继节点在向源节点发送信息的同时也向信息节点发送信号，用于信息节点的能量累积，具体形式如公式(7)所示：

本发明所述步骤(三)中的提出连续时隙能量累积协议与离散时隙能量累积协议，分别进行能量累积分析，得出系统吞吐量，具体如下：

设定d₂为中继节点到信息节点的距离，当中继节点到信息节点的距离满足4.6m<d₂<9m时，采用连续时隙能量累积协议：

(1)连续时隙能量累积协议

在此协议中，整个传输过程在一个时隙T内完成，时间分配因子τ是一个在(0，1)区间内变化的数，当τ等于0或1时，整个系统吞吐量为零；

1)能量累积分析

在τT时间内，中继节点接收源节点的能量信号进行能量累积，整个过程能量累积量如公式(8)所示：

其中，η为能效因子，0<η<1，P_s为源节点发送功率，该功率连续且保持一致，此阶段累积的能量用于下一个阶段信息从中继节点转发到源节点，在

时间的信息传输后，能量门限值为

改变发送功率P_r的值，当中继节点累积的能量达到所设定的能量门限值，允许信息的转发，此外，根据上述传输过程，中继节点第一阶段累积的能量全部用于信息的转发，因此能量门限值等于公式(8)中能量的累积量，由此得到公式(9)：

当信道状态良好时，中继转发信息时可以使用较小的发送功率P_r，此时由公式(9)，时间分配因子τ值较小，能量收集的时间较信息传输少，当信道状况不佳时，需要提高发送功率来转发信息，由公式(9)，更多的时间被分配用来进行能量收集；

由公式(7)，信息节点用于下一阶段的转发所收集的能量及功率如公式(10)、(11)所示：

其中，E_u为信息节点能量累积量，P_u为信息节点的发送功率；

2)系统吞吐量分析

依据中断概率、时间分配因子，得到如公式(12)所示的系统吞吐量公式：

其中，R₁为连续时隙能量累积协议的系统吞吐量，O＝P(γ<γ₀)定义为中断因子，P为中断概率，假设γ₀为信噪比门限值，当公式(6)的信噪比小于信噪比门限时，P(γ<γ₀)＝0，信息传输中断，

当中继节点到信息节点的距离满足2m<d₂<4.6m时，采用离散时隙能量累积协议：

(2)离散时隙能量累积协议

在连续时隙能量累积协议中，整个传输过程在一个时隙内完成，在这个过程中，中继节点需要不停地实时查看自身的剩余能量状态，判断是否足够完成信息的转发，为了解决这一问题，在此协议中，时间分配因子τ取1或0，中继节点仅仅需要在每一时隙的初始对自身的剩余能量状态进行查看，假设经过了X时隙后，第(X+1)时隙中继节点的能量累积量超过能量门限值，进行信息传输。在信息传输阶段，T/2用于信息节点向中继节点传输信息，剩余的T/2中继节点将信息转发到源节点；

1)能量累积分析

当某一时隙用于能量累积，在这一时隙内能量累积量如公式(13)所示：

其中E(T)为整个时隙能量累积量，若某一时隙用于信息传输，则此时隙内能量消耗量如公式(14)所示：

其中C(T)为整个时隙能量消耗量，将此能量消耗量作为此协议的能量门限值，只有当能量累积量达到能量门限值时，才允许信息的传输，时间分配因子与能量的关系如公式(15)所示：

信息节点用于下一阶段的转发所收集的能量及功率如公式(16)、(17)所示：

其中，E_u为信息节点能量累积量，P_u为信息节点的发送功率；

2)系统吞吐量分析

系统吞吐量与中断概率和时间分配因子直接相关，时间分配因子受时隙初始能量限制，因此在本协议中，每一时隙的初始能量不都为0，将能量累积的时隙数模拟成泊松分布过程，得出系统吞吐量如公式(18)所示：

其中，R₂为离散时隙能量累积协议的系统吞吐量，X为用于能量累积连续的时隙数，假设

本发明所述步骤(四)中以最大化系统吞吐量为目的，优化系统性能，包括：

如公式(9)所示，时间分配因子的值与中继节点发送功率直接相关，当发送功率偏大时，时间分配因子的值大，反之当发送功率偏小时，时间分配因子的值也小，当中继节点发送功率过大或过小的情况下，系统吞吐量低，存在一个最优中继发送功率P_r*使得系统吞吐量最大，定义连续时隙能量累积协议最优系统吞吐量为

离散时隙能量累积协议最优系统吞吐量为

公式(19)和公式(20)表示系统吞吐量优化过程，通过一维遍历搜索，得到连续时隙能量累积协议最优系统吞吐量，

离散时隙能量累积协议最优系统吞吐量，

设定中继发送功率范围为0～40dBm：

设定中继节点到信息节点的距离值为d₂，固定d₂的值，得出连续时隙能量累计协议与离散时隙能量累积协议的最优系统吞吐量

改变中继节点到信息节点的距离值d₂重复此过程，采用二维遍历搜索方法比较离散时隙能量累积协议与连续时隙能量累积协议的最优系统吞吐量，当2m<d₂<4.6m时，采用离散时隙能量累积协议，当中继节点到信息节点的距离满足，4.6m<d₂<9m时，采用连续时隙能量累积协议，完成系统性能的优化。

下边结合附图及仿真试验进一步说明本发明效果。

图1是基于能量累积的双向信息与能量中继协作传输方法的流程示意图，本发明内容主要包括四部分，分别是：系统模型的构建、信号传输模型的建立、基于能量累积传输协议的提出以及系统吞吐量的优化；

图2是无线网络中信息和能量传输模型，模型中包括：源节点(S)、中继节点(R)以及信息节点(U)，固定源节点与信息节点的位置，距离保持不变，中继节点放置于源节点与信息节点之间，源节点在中继节点的协助下传递能量到目的节点，同时，信息节点在中继辅助下转发信息到源节点；

图3是连续时隙能量累积协议中信息与能量传输的示意图，整个传输过程在一个时隙内完成，这就意味着时间分配因子τ是一个在(0，1)区间内变化的数，当τ等于0或1时，整个系统吞吐量为零；

图4是离散时隙能量累积协议中信息与能量传输的示意图，时间分配因子τ仅可以取1或0两个值，当中继的能量状态不佳时，接下的整个时隙都将用于能量累积，直到某一时隙起始能量达到能量门限值，整个时隙将用于信息的传输；

仿真实验

仿真实验部分利用MATLAB对连续时隙能量累计协议与离散时隙能量累计协议两种协议的性能进行仿真验证，为了优化系统吞吐量，采用一维、二维遍历搜索方法；

设定中继节点到源节点的距离d₁＝6m、中继节点到信息节点的距离d₂＝2m、源节点发送功率P_s＝46dBm、路径损耗因子m＝3、能效因子η＝0.5、信噪比门限值γ₀＝60dB、源节点的噪声功率

中继节点的噪声功率

中继节点发送功率P_r的范围0<P_r<40dBm，如图5所示，连续时隙能量累积协议的系统吞吐量R₁与离散时隙能量累积协议的系统吞吐量R₂随着中继节点发送功率P_r的变化而变化，两条曲线都是凸型线，随着发送功率的增大，两个协议的系统吞吐量均先增大后减小，因此对于每个协议都有一个中继发送功率使的系统吞吐量达到最大，对于连续时隙能量累积协议，当发送功率P_r＝18dBm时，R₁取得最大值为0.268，而离散时隙能量累积协议中，当发送功率P_r＝19dBm时，R₂取得最大值为0.224，连续时隙能量累积协议中最优系统吞吐量为

连续时隙能量累积协议中最优系统吞吐量为

使系统吞吐量达到最优的中继发送功率为

设定源节点发送功率P_s＝46dBm、路径损耗因子m＝3、能效因子η＝0.5、信噪比门限值γ₀＝60dB、源节点的噪声功率

中继节点的噪声功率

中继节点发送功率P_r的范围0<P_r<40dBm，中继节点到信息节点的距离d₂的范围为2<d₂<9m、中继节点到源节点的距离d₁＝11-d₂，图6是最优系统吞吐量随着中继节点到信息节点的距离变化的仿真图，图中描述了连续时隙能量累积协议的最优系统吞吐量

与离散时隙能量累积协议的系统吞吐量

随着中继节点到信息节点的距离的变化，根据上述最优系统吞吐量的定义，首先设定一个中继节点到信息节点的距离值d₂，得出连续时隙能量累积协议与离散时隙能量累积协议的最优系统吞吐量

改变中继节点到信息节点的距离值d₂重复此过程，完成仿真图，当2m<d₂<4.6m时，采用离散时隙能量累积协议，当中继节点到信息节点的距离满足，4.6m<d₂<9m时，采用连续时隙能量累积协议。

图5是系统吞吐量随着信息节点发送功率变化的仿真图，图中描述了连续时隙能量累积协议的系统吞吐量R₁与离散时隙能量累积协议的系统吞吐量R₂随着中继节点发送功率P_r的变化，两条曲线都是凸型线，随着发送功率的增大，两个协议的系统吞吐量均先增大后减小，因此对于每个协议都有一个中继发送功率使的系统吞吐量达到最大，对于连续时隙能量累积协议，当发送功率P_r＝18dBm时，R₁取得最大值为0.268，而离散时隙能量累积协议中，当发送功率P_r＝19dBm时，R₂取得最大值为0.224，连续时隙能量累积协议中最优系统吞吐量为

连续时隙能量累积协议中最优系统吞吐量为

使系统吞吐量达到最优的中继发送功率为

图6是最优系统吞吐量随着中继节点到信息节点的距离变化的仿真图，图中描述了连续时隙能量累积协议的最优系统吞吐量

与离散时隙能量累积协议的系统吞吐量

随着中继节点到信息节点的距离的变化，根据上述最优系统吞吐量的定义，首先设定一个中继节点到信息节点的距离值d₂，得出连续时隙能量累积协议与离散时隙能量累积协议的最优系统吞吐量

改变中继节点到信息节点的距离值d₂重复此过程，完成仿真图，当2m<d₂<4.6m时，采用离散时隙能量累积协议，当中继节点到信息节点的距离满足，4.6m<d₂<9m时，采用连续时隙能量累积协议；

本发明在无线信息与能量传输的网络中，提出了双向传输模型中能量累积的概念，前人的研究大部分为无线网络中单向传输模型，未切实考虑到能量累积的应用，将无线能量收集技术应用到无线网络中，克服了传统电池供电网络中能量供应持续性问题，保证传输过程有效、连续的进行，提出两种基于能量累积的双向信息与能量传输协议，将能量累积的思想考虑到无线网络中，在信道状况不佳时进行能量的累积，直到中继节点收集足够的能量再进行信息的转发，大大降低了信息传输的中断概率，提高了吞吐量。

Claims (4)

1.一种基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法，其特征在于，包括下列步骤：

(一)构建无线网络的信息与能量双向传输系统模型，包括：

(1)系统场景分析

系统模型是无线网络中的三节点传输模型，包括源节点(S)、中继节点(R)以及信息节点(U)，固定源节点与信息节点的位置，中继节点放置于源节点与信息节点之间，三个节点处于一条直线上，忽略源节点与信息节点之间的直接传输，当信息节点需要向源节点发送信息时，同时信息节点自身的能量不足以供给本次发送，在发送信息之前，首先从源节点收集能量，再进行信息的发送，设置能量门限值用于判断中继节点剩余能量状态，在中继节点转发来自于信息节点的信息之前，判断中继节点的剩余能量的状态，与能量门限值对比，当中继节点累积的能量大于能量门限值时，进行信息的转发；

(2)建立信道模型

设定源节点与中继节点、中继节点与信息节点间信道系数分别为h和g，各个节点间的信道都为局部瑞利时隙衰落模型，在一个时隙内信道系数保持不变，不同时隙内信道系数各不相同，信道系数服从均值为0，方差为1的高斯分布，如公式(1)、公式(2)所示：

h～N(0,1) (1)

g～N(0,1) (2)

(3)源节点、中继节点以及信息节点间信息与能量传输过程

设定一个时隙的时间为T，τ为时间分配因子，整个时隙T内，τT时间内中继节点接收源节点的射频信号用于中继节点的能量累积，对于剩余的时间(1-τ)T，前一半时间

用于信息从信息节点到中继节点的发送，最后的

时间用于信息的转发；

(二)建立中继节点信号接收模型、中继节点信号转发模型、源节点信号接收模型以及信息节点能量信号接收模型；

(三)提出连续时隙能量累积协议与离散时隙能量累积协议，分别进行能量累积分析，得出系统吞吐量；

(四)以最大化系统吞吐量为目的，优化系统性能。

2.根据权利要求1所述的基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法，其特征在于，所述步骤(二)中建立中继节点信号接收模型、中继节点信号转发模型、源节点信号接收模型以及信息节点能量信号接收模型，具体如下：

(1)中继节点信号接收

根据所述的信道模型，中继节点接收信息节点发送的信号形式如公式(3)所示：

其中，y_r表示中继节点接收到的信号形式，

表示路径损耗部分，d₂表示中继节点到信息节点的距离，m代表路径损耗因子，P_u为信息节点传输信息时的发送功率，g为中继节点与信息节点间信道系数，x_u为信息节点发送的归一化信息，E|x_u|²＝1，nr为中继节点的加性高斯白噪声；

(2)中继节点信号转发

中继节点采取放大转发(Amplify and Forward,AF)的模式对接收到的信号进行处理，具体形式如公式(4)所示：

其中x_r代表中继节点转发的信号，P_r为中继节点的发送功率，β为能量限制因子、保证中继节点能量收集与能量发送的平衡，避免发送的能量大于接收能量，

为中继节点的噪声功率；

(3)源节点信号接收

源节点接收的中继节点转发的信号的形式如公式(5)所示：

其中y_s为源节点接收的中继节点转发的信号的形式，d₁为源节点到中继节点的距离，ns是源节点的噪声，源节点处接收信号的信噪比如公式(6)所示：

为源节点的噪声功率；

(4)信息节点能量信号接收

中继节点在向源节点发送信息的同时也向信息节点发送信号，用于信息节点的能量累积，具体形式如公式(7)所示：

3.根据权利要求1所述的基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法，其特征在于，所述步骤(三)中的提出连续时隙能量累积协议与离散时隙能量累积协议，分别进行能量累积分析，得出系统吞吐量，具体如下：

设定d₂为中继节点到信息节点的距离，当中继节点到信息节点的距离满足4.6m<d₂<9m时，采用连续时隙能量累积协议：

(1)连续时隙能量累积协议

在此协议中，整个传输过程在一个时隙T内完成，时间分配因子τ是一个在(0，1)区间内变化的数，当τ等于0或1时，整个系统吞吐量为零；

1)能量累积分析

在τT时间内，中继节点接收源节点的能量信号进行能量累积，整个过程能量累积量如公式(8)所示：

其中，η为能效因子，0<η<1，P_s为源节点发送功率，该功率连续且保持一致，d₁为中继节点到源节点的距离，m为 路径损耗因子，此阶段累积的能量用于下一个阶段信息从中继节点转发到源节点，在

时间的信息传输后，能量门限值为

改变发送功率P_r的值，当中继节点累积的能量达到所设定的能量门限值，允许信息的转发，此外，根据上述传输过程，中继节点第一阶段累积的能量全部用于信息的转发，因此能量门限值等于公式(8)中能量的累积量，由此得到公式(9)：

其中，P_r为中继节点发送功率，当信道状态良好时，中继转发信息时可以使用较小的发送功率P_r，此时由公式(9)，时间分配因子τ值较小，能量收集的时间较信息传输少，当信道状况不佳时，需要提高发送功率来转发信息，由公式(9)，更多的时间被分配用来进行能量收集；

由公式(7)，信息节点用于下一阶段的转发所收集的能量及功率如公式(10)、(11)所示：

其中，E_u为信息节点能量累积量，P_u为信息节点的发送功率；

2)系统吞吐量分析

依据中断概率、时间分配因子，得到如公式(12)所示的系统吞吐量公式：

其中，

为中继节点的噪声功率、

为源节点的噪声功率，R₁为连续时隙能量累积协议的系统吞吐量，O＝P(γ<γ₀)定义为中断因子，P为中断概率，假设γ₀为信噪比门限值，当公式(6)的信噪比小于信噪比门限时，P(γ<γ₀)＝0，信息传输中断，

当中继节点到信息节点的距离满足2m<d₂<4.6m时，采用离散时隙能量累积协议：

(2)离散时隙能量累积协议

在连续时隙能量累积协议中，整个传输过程在一个时隙内完成，在这个过程中，中继节点需要不停地实时查看自身的剩余能量状态，判断是否足够完成信息的转发，为了解决这一问题，在此协议中，时间分配因子τ取1或0，中继节点仅仅需要在每一时隙的初始对自身的剩余能量状态进行查看，假设经过了X时隙后，第(X+1)时隙中继节点的能量累积量超过能量门限值，进行信息传输。在信息传输阶段，T/2用于信息节点向中继节点传输信息，剩余的T/2中继节点将信息转发到源节点；

1)能量累积分析

当某一时隙用于能量累积，在这一时隙内能量累积量如公式(13)所示：

其中E(T)为整个时隙能量累积量，若某一时隙用于信息传输，则此时隙内能量消耗量如公式(14)所示：

其中C(T)为整个时隙能量消耗量，将此能量消耗量作为此协议的能量门限值，只有当能量累积量达到能量门限值时，才允许信息的传输，时间分配因子与能量的关系如公式(15)所示：

信息节点用于下一阶段的转发所收集的能量及功率如公式(16)、(17)所示：

其中，E_u为信息节点能量累积量，P_u为信息节点的发送功率；

2)系统吞吐量分析

系统吞吐量与中断概率和时间分配因子直接相关，时间分配因子受时隙初始能量限制，因此在本协议中，每一时隙的初始能量不都为0，将能量累积的时隙数模拟成泊松分布过程，得出系统吞吐量如公式(18)所示：

其中，R₂为离散时隙能量累积协议的系统吞吐量，X为用于能量累积连续的时隙数，假设

4.根据权利要求1所述的基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法，其特征在于，所述步骤(四)中以最大化系统吞吐量为目的，优化系统性能，具体如下：

如公式(9)所示，

其中，τ为时间分配因子，P_r为中继节点发送功率，d₁为中继节点到源节点的距离，η为能效因子，P_s为源节点发送功率，m为路径损耗因子；时间分配因子的值与中继节点发送功率直接相关，当发送功率偏大时，时间分配因子的值大，反之当发送功率偏小时，时间分配因子的值也小，当中继节点发送功率过大或过小的情况下，系统吞吐量低，存在一个最优中继发送功率P_r*使得系统吞吐量最大，定义连续时隙能量累积协议最优系统吞吐量为

离散时隙能量累积协议最优系统吞吐量为

公式(19)和公式(20)表示系统吞吐量优化过程，通过一维遍历搜索，得到连续时隙能量累积协议最优系统吞吐量，

离散时隙能量累积协议最优系统吞吐量，

设定中继发送功率范围为0～40dBm：

其中R₁为连续时隙能量累积协议的系统吞吐量，R₂为离散时隙能量累积协议的系统吞吐量，设定中继节点到信息节点的距离值为d₂，固定d₂的值，得出连续时隙能量累计协议与离散时隙能量累积协议的最优系统吞吐量

改变中继节点到信息节点的距离值d₂重复此过程，采用二维遍历搜索方法比较离散时隙能量累积协议与连续时隙能量累积协议的最优系统吞吐量，当2m<d₂<4.6m时，采用离散时隙能量累积协议，当中继节点到信息节点的距离满足，4.6m<d₂<9m时，采用连续时隙能量累积协议，完成系统性能的优化。

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