CN111988797A - 无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法及系统 - Google Patents

无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法与系统，该方法包括步骤获取两跳多中继网络相关计算所需数据；计算系统网络中选定中继节点接收源节点能量及信息传输信号值，及目的节点接收选定中继节点的信息传输信号值；计算确定网络的端到端中断概率及吞吐量；根据计算的吞吐量对莱斯衰落信道条件下的网络性能进行评估，根据评估结果对网络进行优化。本发明通过分析网络信息传输与能量间的因果关系及系统各因素对户外无线能量传输驱动中继网络端到端中断概率及吞吐量性能的影响，确定能够适应户外物联网形势发展要求的、能够克服物联网节点能量有限缺点的、莱斯衰落信道条件下的网络性能评估计算方法。

Description

无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法及系统
技术领域
本发明涉及网络性能分析与优化技术领域，具体涉及一种无线能量传 输驱动的两跳多中继网络性能分析方法及系统。
背景技术
中继技术可以扩大网络覆盖范围，有效提高网络容量和用户服务质量。 无线射频能量收集技术能够为网络中能量受限的节点提供稳定的能量，且 管理方便，可以解决无线设备电池资源有限、极端环境下不易更换、人工 维护成本高的问题，因此基于无线能量传输的中继网络被广泛研究。
由于无线能量传输网络可广泛应用于户外物联网中(如铁路物联网、 矿山物联网、环境监测物联网等)，而视野空旷的户外物联网主要处于以直 射路径为主的环境中，通常户外场景下的无线衰落信道建模为莱斯衰落信 道，而且在实际的无线能量传输中，能量主要来自于直射分量，所以视距 传输不可忽视，考虑到这一点莱斯衰落信道模型在无线能量传输网络中更 具有实用性。
然而，目前研究工作要么针对瑞利衰落信道，要么针对Nakagami-m衰 落信道。Nakagami-m虽然可以近似地描述莱斯衰落，但对于精确分析直射 分量对能量站辅助的能量收集中继网络性能的影响，目前还没有相关的技 术为网络优化设计提供有效的性能评估参考。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种无线 能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法，包括以下步骤：
获取两跳多中继网络相关计算所需数据；包括源节点天线数量及其发 射功率、中继节点数量、源节点发射总功率、源节点至各中继节点的距离、 各中继节点到目的节点的距离、网络配置参数；
计算系统网络中选定中继节点接收源节点能量传输信号及信息传输信 号，及目的节点接收选定中继节点的信息传输信号；
计算确定网络的端到端中断概率及吞吐量；
根据计算的吞吐量对莱斯衰落信道条件下的网络性能进行评估，根据 评估结果对网络进行优化；其中，
网络由无线通信连接的一个源节点S，NR个能量受限的中继节点Ri (1≤i≤NR)和一个目的节点D组成；源节点S配备多根天线，各中继节点 Ri和目的节点D均为单天线设备。
在上述方法中，所述计算系统网络中选定中继节点接收源节点能量传 输信号及信息传输信号，及目的节点接收选定中继节点的信息传输信号具 体包括以下步骤：
(1)在第一阶段中ρT内，选定中继节点Ri从源节点S处收集到的能量 Ei为：
Figure BDA0002624672730000021
式中，η(0＜η＜1)为中继节点能量转换效率；Ns为源节点S的天线数量； Psum为源节点S的发射总功率；发射总功率平均分配，Ps＝Psum/Ns为源节点 S每根天线的发射功率；
Figure BDA0002624672730000022
为源节点S到选定中继节点Ri链路的信道系数；
Figure BDA0002624672730000023
为源节点S到选定中继节点Ri的距离；m为路径损耗指数；
(2)在第二阶段的(1-ρ)T/2内，选定中继节点Ri从源节点S处接收到 的信息传输信号值
Figure BDA0002624672730000024
为：
Figure BDA0002624672730000031
式中，xs为源节点S每根天线的发射信号，满足E[|xs|2]＝PS；
Figure BDA0002624672730000032
表示选 定中继节点Ri处均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声；
(3)在第三阶段的(1-ρ)T/2内，选定中继节点Ri利用从源节点S收获 的能量，将从源节点S收到的信息传输信号放大转发给目的节点D，则目的 节点D处接收到的信息传输信号值为：
Figure BDA0002624672730000033
式中，
Figure BDA0002624672730000034
为选定中继节点Ri到目的节点D链路的信道系数；nD为目 的节点D处均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声；
Figure BDA0002624672730000035
为选定中继节点Ri到目的节点D的距离；
Figure BDA0002624672730000036
表示目的节点D处的噪声；
Figure BDA0002624672730000037
表示目的节点D处的有效信号；
Figure BDA0002624672730000038
为选定中继节点Ri发射的信息传输信号，表示为：
Figure BDA0002624672730000039
Figure BDA00026246727300000310
为放大系数，可计算选定中继节点Ri的放大系数
Figure BDA00026246727300000311
为：
Figure BDA00026246727300000312
其中
Figure BDA00026246727300000313
在上述方法中，所述网络的端到端中断概率包括网络链路中断的概率、 选定中继节点Ri能量受限的概率、选定中继节点Ri能量够用的概率之和。
在上述方法中，所述
(1)网络链路中断的概率计算如下：
网络端到端信噪比为：
Figure BDA0002624672730000041
由于实际中，噪声功率N0与选定中继节点Ri的发射功率
Figure BDA0002624672730000042
满足
Figure BDA0002624672730000043
因此可忽略(4)式分母式中
Figure BDA0002624672730000044
部分括号中 的N0，则公式(4)网络端到端信噪比可近似表示为：
Figure BDA0002624672730000045
令
Figure BDA0002624672730000046
γ0＝PS/N0为源节点S每根天线发射功率与 噪声功率的比值，则公式(5)可重新表示为：
Figure BDA0002624672730000047
则，网络链路中断的概率计算如下式：
Figure BDA0002624672730000051
式中，系统网络最低所需的传输速率为R0，根据香农公式可得网络端 到端信噪比阙值
Figure BDA0002624672730000052
W表示网络带宽；
FY(x)为
Figure BDA0002624672730000053
的累积分布函数，具体为：
Figure BDA0002624672730000054
式中，
Figure BDA0002624672730000055
为源节点S到选定中继节点Ri链路的信道莱斯因子；
Figure BDA0002624672730000056
为源节点S到选定中继节点Ri信道增益随机变量
Figure BDA0002624672730000057
的均值；
C1理论取值为无穷大；
Figure BDA0002624672730000058
的概率密度函数，具体如下式：
Figure BDA0002624672730000059
式中，
Figure BDA00026246727300000510
Figure BDA00026246727300000511
为选定中继节点Ri到 目的节点D链路的信道莱斯因子，
Figure BDA00026246727300000512
为选定中继节点Ri到目的节点D的 信道增益随机变量
Figure BDA00026246727300000513
的均值，C2理论取值为无穷大；
(2)选定中继节点Ri能量受限的概率：
当选定中继节点Ri从源节点S处收集到的能量Ei小于电路门限值时， 选定中继节点Ri无法工作，此时网络发生中断；因此选定中继节点Ri能量 受限的概率计算如下式：
Figure BDA0002624672730000061
式中，EQ表示的是中继电路的启动能量门限值；
Figure BDA0002624672730000062
(3)选定中继节点Ri能量够用的概率：
当选定中继节点Ri从源节点S处收集到的能量Ei大于中继电路启动能 量门限值时，选定中继节点Ri正常工作，则选定中继节点Ri能量够用的概 率计算具体如下式：
Figure BDA0002624672730000063
因此，网络的端到端中断概率为：
Pout＝Plack+Penough*Plinkout,
代入(7)(8)(9)式化简后的网络中断概率计算公式如下：
Figure BDA0002624672730000064
式中，Kv(·)为第二类v阶修正贝塞尔函数，
Figure BDA0002624672730000065
在上述方法中，所述网络的吞吐量计算如下式：
Figure BDA0002624672730000071
在上述方法中，所述根据计算的吞吐量对莱斯衰落信道条件下的网络 性能进行评估包括以下几种情况：
(1)当源节点总发射功率、源节点天线数量、信道莱斯因子、中继节 点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，随着 时间分割因子的增大，网络中断概率先减小后增大；
(2)当源节点总发射功率、源节点天线数量、时间分割因子、中继节 点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，信道 莱斯因子越大，网络中断概率越小；
(3)当源节点天线数量、信道莱斯因子、时间分割因子、中继节点能 量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，源节点总 发射功率越大，网络的吞吐量越大；
(4)当源节点总发射功率、信道莱斯因子、时间分割因子、中继节点 能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，当源节 点天线数量越多网络吞吐量越大；
(5)当源节点总发射功率、源节点天线数量、信道莱斯因子、时间分 割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定 的情况下，选择与源节点和目的节点距离之和最短的中继作为选定中继时 的网络吞吐量要优于选择与源节点距离最短的中继节点作为选定中继时的 网络吞吐量。
本发明还提供了一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析系 统，包括：
网络由无线通信连接的一个源节点S，NR个能量受限的中继节点Ri (1≤i≤NR)和一个目的节点D组成；源节点S配备多根天线，各中继节点 Ri(1≤i≤NR)和目的节点D均为单天线设备；
还包括：
数据输入单元：用于输入两跳多中继网络相关计算所需数据；
包括源节点天线数量及其各发射功率、中继节点数量、源节点发射总 功率、源节点至各中继节点的距离、各中继节点到目的节点的距离、网络 配置参数等等；
第一计算单元：用于计算系统网络中选定中继节点接收源节点能量及 信息值，及目的节点接收选定中继节点的信息值；
第二计算单元：用于根据第一计算单元计算结果计算确定网络的端到 端中断概率及吞吐量；
网络分析优化单元：用于根据第二计算单元计算的吞吐量对莱斯衰落 信道条件下的网络性能进行评估，并根据评估结果对网络进行优化。
本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述 存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算 机程序时实现如上述任一项所述无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能 分析方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质 存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所 述无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法。
本发明提供的适用于莱斯衰落信道条件的无线能量传输驱动的两跳多 中继网络的计算方法，通过分析网络信息传输与能量间的因果关系及系统 各因素对户外无线能量传输驱动中继网络端到端中断概率及吞吐量性能的 影响，确定能够适应户外物联网形势发展要求的、能够克服物联网节点能 量有限缺点的、莱斯衰落信道条件下的网络性能评估计算方法，可用于网 络设计理论分析和数值实验，对网络设计具有重要的指导意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面 将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而 易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术 人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的 附图。
图1为本发明提供的方法流程示意图；
图2为本发明提供的户外无线能量传输驱动的两跳多中继网络模型示意 图；
图3为本发明提供的网络能量收集和信息传输过程时间轴；
图4为本发明提供的系统框架示意图；
图5为本发明提供的计算机可读存储介质示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所 有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长 度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平 "、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而 不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造 和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示 相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、" 第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明 的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此 外，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接； 可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连 通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明 中的具体含义。
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做出详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络 性能分析方法，包括以下步骤：
S1、获取两跳多中继网络相关计算所需数据；
包括源节点天线数量及其各发射功率、中继节点数量、源节点发射总 功率、源节点至各中继节点的距离、各中继节点到目的节点的距离、网络 配置参数等等；
本实施例中，如图2-3所示，为户外无线能量传输驱动的两跳多中继 网络模型及网络模型中各节点能量收集和信息传输过程示意图，其中，
本模型网络由无线通信连接的一个源节点S，NR个能量受限的中继节 点Ri(i＝1…NR)和一个目的节点D组成。
源节点S配备多根天线，各中继节点Ri和目的节点D均为单天线设备。 本网络设定源节点S到目的节点D不存在直射路径，源节点S只能通过中 继节点Ri转发信息到目的节点D，则该网络根据两种基于距离的中继选择 策略如下：
策略1：选择源节点到中继节点、中继节点到目的节点两跳距离之和最 短的中继节点作为选定中继节点；
策略2：选择源节点到中继节点距离最短的中继节点作为选定中继节点；
根据策略从多个中继节点中选择一个中继节点作为选定中继节点进行 能量和信息传输，选定的中继节点Ri采用半双工放大转发模式工作。
如图3所示，该网络完成源节点S到目的节点D的端到端信息传输任 务分为三个阶段；
第一阶段为选定中继节点Ri从源节点S处收集能量，持续时间为ρT； 第二阶段为选定中继节点Ri从源节点S处接收信息，持续时间为(1-ρ)T/2； 第三阶段为目的节点D从选定中继节点Ri处接收信息，持续时间(1-ρ)T/2； 其中ρ为时间分割因子，T为一个传输周期。
在户外物联网场景下，信号传输中存在明显的直射路径，因此本实施例 采用莱斯衰落模型刻画信道更为准确。假设每跳信道是准静态、独立、同分 布的莱斯衰落信道。
S2、计算系统网络中选定中继节点接收源节点能量传输信号及信息传输 信号，及目的节点接收选定中继节点的信息传输信号；计算具体如下：
(1)在第一阶段中ρT内，选定中继节点Ri从源节点S处收集到的能量 Ei为：
Figure BDA0002624672730000111
式中，η(0＜η＜1)为中继节点能量转换效率；Ns为源节点S的天线数量； Psum为源节点S的发射总功率；发射总功率平均分配，Ps＝Psum/Ns为源节点 S每根天线的发射功率；
Figure BDA0002624672730000112
为源节点S到选定中继节点Ri链路的信道系数；
Figure BDA0002624672730000113
为源节点S到选定中继节点Ri的距离；m为路径损耗指数。
(2)在第二阶段的(1-ρ)T/2内，选定中继节点Ri从源节点S处收集到 的信息传输信号值
Figure BDA0002624672730000114
为：
Figure BDA0002624672730000115
式中，xs为源节点S每根天线的发射信号，满足E[|xs|2]＝PS；
Figure BDA0002624672730000116
表示选 定中继节点Ri处均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声。
(3)在第三阶段的(1-ρ)T/2内，选定中继节点Ri利用第一阶段从源节 点S收获的能量，将第二阶段从源节点S收到的信息传输信号放大转发给目 的节点D，计算目的节点D处接收到的信息传输信号值为：
Figure BDA0002624672730000121
式中，
Figure BDA0002624672730000122
为选定中继节点Ri到目的节点D链路的信道系数；nD为目 的节点D处均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声；
Figure BDA0002624672730000123
为选定中继节点Ri到目的节点D的距离；
Figure BDA0002624672730000124
表示目的节点D处的噪声；
Figure BDA0002624672730000125
表示目的节点D处的有效信号；
Figure BDA0002624672730000126
为选定中继节点Ri发射信号，表示为：
Figure BDA0002624672730000127
Figure BDA0002624672730000128
为放大系数，可计算选定中继节点Ri的放大系数
Figure BDA0002624672730000129
为：
Figure BDA00026246727300001210
其中
Figure BDA00026246727300001211
S3、根据步骤S2计算确定网络的端到端中断概率及吞吐量。
一、网络的端到端中断概率。
网络的端到端中断概率包括网络链路中断的概率、选定中继节点Ri能 量受限的概率、选定中继节点Ri能量够用的概率之和；其中，
(1)网络链路中断的概率计算如下：
首先计算网络端到端信噪比为：
Figure BDA0002624672730000131
由于实际中，噪声功率N0与选定中继节点Ri的发射功率
Figure BDA0002624672730000132
满足
Figure BDA0002624672730000133
因此可忽略(4)式分母式中
Figure BDA0002624672730000139
部分括号中 的N0，则公式(4)网络端到端信噪比可近似表示为：
Figure BDA0002624672730000135
令
Figure BDA0002624672730000136
γ0＝PS/N0为源节点S每根天线发射功率与 噪声功率的比值，则公式(5)可重新表示为：
Figure BDA0002624672730000137
则，网络链路中断的概率计算如下式：
Figure BDA0002624672730000138
式中，系统网络最低所需的传输速率为R0，根据香农公式可得网络端 到端信噪比阙值
Figure BDA0002624672730000141
W表示网络带宽；
FY(x)为
Figure BDA0002624672730000142
的累积分布函数，具体为：
Figure BDA0002624672730000143
式中，
Figure BDA0002624672730000144
为源节点S到选定中继节点Ri链路的信道莱斯因子；
Figure BDA0002624672730000145
为源节点S到选定中继节点Ri信道增益随机变量
Figure BDA0002624672730000146
的均值；
C1理论取值为无穷大，C1取值越大计算结果越精确，实际应用中取大 于30的正整数可满足绝大部分情况下精确性要求；
fX(x)为
Figure BDA0002624672730000147
的概率密度函数，具体如下式：
Figure BDA0002624672730000148
式中，
Figure BDA0002624672730000149
Figure BDA00026246727300001410
为选定中继节点Ri到 目的节点D链路的信道莱斯因子，
Figure BDA00026246727300001411
为选定中继节点Ri到目的节点D的 信道增益随机变量
Figure BDA00026246727300001412
的均值，C2理论取值为无穷大，C2取值越大计算结 果越精确，实际应用中取大于30的正整数可满足绝大部分情况下精确性要 求。
(2)选定中继节点Ri能量受限的概率：
当选定中继节点Ri从源节点S处收集到的能量Ei小于电路门限值时， 选定中继节点Ri无法工作，此时网络发生中断；因此选定中继节点Ri能量 受限的概率计算如下式：
Figure BDA0002624672730000151
式中，EQ表示的是中继电路的启动(激活)能量门限值；
Figure BDA0002624672730000152
(3)选定中继节点Ri能量够用的概率：
当选定中继节点Ri从源节点S处收集到的能量Ei大于中继电路的启动 (激活)能量门限值时，选定中继节点Ri正常工作，则选定中继节点Ri能 量够用的概率计算具体如下式：
Figure BDA0002624672730000153
因此，网络的端到端中断概率为：
Pout＝Plack+Penough*Plinkout,
代入(7)(8)(9)式化简后的网络中断概率计算公式如下：
Figure BDA0002624672730000154
式中，Kv(·)为第二类v阶修正贝塞尔函数，
Figure BDA0002624672730000155
二、网络的吞吐量
根据上述内容，网络的吞吐量计算如下式：
Figure BDA0002624672730000161
S4、根据步骤S3中计算的吞吐量对莱斯衰落信道条件下的网络性能进 行评估，根据评估结果对网络进行优化。
本实施例，分析源节点总发射功率、源节点天线数量、信道莱斯因子、 时间分割因子、中继节点能量转化效率以及节点相对位置等因素对户外无 线能量传输驱动中继网络端到端中断概率及吞吐量性能的影响，具体包括 以下几种情况：
(1)当源节点总发射功率、源节点天线数量、信道莱斯因子、中继节 点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，随着 时间分割因子的增大，网络中断概率先减小后增大；
(2)当源节点总发射功率、源节点天线数量、时间分割因子、中继节 点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，信道 莱斯因子越大，网络中断概率越小；其中，信道莱斯因子包括源节点与选 定中继节点和选定中继节点与目的节点间的信道莱斯因子；
(3)当源节点天线数量、信道莱斯因子、时间分割因子、中继节点能 量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，源节点总 发射功率越大，网络的吞吐量越大；
(4)当源节点总发射功率、信道莱斯因子、时间分割因子、中继节点 能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，当源节 点天线数量越多网络吞吐量越大；
(5)当源节点总发射功率、源节点天线数量、信道莱斯因子、时间分 割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定 的情况下，选择与源节点和目的节点距离之和最短的中继作为选定中继时 的网络吞吐量要优于选择与源节点距离最短的中继节点作为选定中继时的 网络吞吐量。
本实施例提供的适用于莱斯衰落信道条件的无线能量传输驱动的两跳 多中继网络的计算方法，通过分析网络信息传输与能量间的因果关系、系 统中断概率、系统吞吐量，能够定量分析源节点总发射功率、源节点天线 数量、莱斯因子、时间分割因子、能量转化效率以及节点相对位置等因素 对户外无线能量传输驱动中继网络端到端中断概率及吞吐量性能的影响， 能够适应户外物联网形势发展要求的、能够克服物联网节点能量有限缺点的、莱斯衰落信道条件下的网络性能评估计算方法，可用于网络设计理论 分析和数值实验，对网络设计具有重要的指导意义。
本发明还提供了一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析网 络，包括：
本模型网络由无线通信连接的一个源节点S，NR个能量受限的中继节 点Ri(1≤i≤NR)和一个目的节点D组成。
源节点S配备多根天线，各中继节点Ri和目的节点D均为单天线设备。 本网络设定源节点S到目的节点D不存在直射路径，源节点S只能通过中 继节点Ri转发信息到目的节点D，则该网络根据两种基于距离的中继选择 策略如下：
策略1：选择源节点到中继节点、中继节点到目的节点两跳距离之和最 短的中继节点作为选定中继节点；
策略2：选择源节点到中继节点距离最短的中继节点作为选定中继节点；
根据策略，从多个中继节点Ri中选择一个中继节点作为选定中继节点 进行能量和信息传输，选定的中继节点Ri采用半双工放大转发模式工作。
该网络完成源节点S到目的节点D的端到端信息传输任务分为三个阶 段；
第一阶段为选定中继节点Ri从源节点S处收集能量传输信号，持续时 间为ρT；第二阶段为选定中继节点Ri从源节点S处接收信息传输信号，持 续时间为(1-ρ)T/2；第三阶段为目的节点D从选定的中继节点Ri处接收信 息传输信号，持续时间(1-ρ)T/2；其中ρ为时间分割因子，T为一个传输周 期。
还包括：
数据输入单元：用于输入两跳多中继网络相关计算所需数据；
包括源节点天线数量及其各发射功率、中继节点数量、源节点发射总 功率、源节点至各中继节点的距离、各中继节点到目的节点的距离、网络 配置参数等等；
第一计算单元：用于计算系统网络中选定中继节点接收源节点能量传 输信号及信息传输信号，及目的节点接收选定中继节点的信息传输信号； 具体计算如下：
(1)选定中继节点Ri从源节点S处收集到的能量Ei为：
Figure BDA0002624672730000181
式中，η(0＜η＜1)为能量转换效率；Ns为源节点S的天线数量；Psum为源 节点S的发射总功率；发射总功率平均分配，Ps＝Psum/Ns为源节点S每根天 线的发射功率；
Figure BDA0002624672730000182
为源节点S到选定中继节点Ri链路的信道系数；
Figure BDA0002624672730000183
为 源节点S到选定中继节点Ri的距离；m为路径损耗指数。
(2)选定中继节点Ri从源节点S处接收到的信息传输信号值
Figure BDA0002624672730000184
为：
Figure BDA0002624672730000185
式中，xs为源节点S每根天线的发射信号，满足E[|xs|2]＝PS；
Figure BDA0002624672730000186
表示选 定中继节点Ri处均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声。
(3)选定中继节点Ri利用第一阶段从源节点S收获的能量，选定中继 节点Ri将从源节点S收到的信息传输信号放大转发给目的节点D，计算目的 节点D处接收到的信息传输信号值为：
Figure BDA0002624672730000191
式中，hRiD为选定中继节点Ri到目的节点D链路的信道系数；nD为目 的节点D处均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声；
Figure BDA0002624672730000192
为选定中继节点Ri到目的节点D的距离；
Figure BDA0002624672730000193
表示目的节点D处的噪声；
Figure BDA0002624672730000194
表示目的节点D处的有效信号；
Figure BDA0002624672730000195
为选定中继节点Ri发射信号，表示为：
Figure BDA0002624672730000196
Figure BDA0002624672730000197
为放大系数，可计算选定中继节点Ri的放大系数
Figure BDA0002624672730000198
为：
Figure BDA0002624672730000199
其中
Figure BDA00026246727300001910
第二计算单元：用于根据第一计算单元计算结果计算确定网络的端到 端中断概率及吞吐量；包括
端到端中断概率计算模块，用于计算网络的端到端中断概率；
网络的端到端中断概率包括网络链路中断的概率、选定中继节点Ri能 量受限的概率、选定中继节点Ri能量够用的概率之和；其中，
(1)网络链路中断的概率计算如下：
首先计算网络端到端信噪比为：
Figure BDA0002624672730000201
由于实际中，噪声功率N0与选定中继节点Ri的发射功率
Figure BDA0002624672730000202
满足
Figure BDA0002624672730000203
因此可忽略(15)式分母式中
Figure BDA0002624672730000204
部分括号中 的N0，则公式(15)网络端到端信噪比可近似表示为：
Figure BDA0002624672730000205
令
Figure BDA0002624672730000206
γ0＝PS/N0为源节点S每根天线发射功率与 噪声功率的比值，则公式(16)可重新表示为：
Figure BDA0002624672730000207
则，网络链路中断的概率计算如下式：
Figure BDA0002624672730000208
式中，系统网络最低所需的传输速率为R0，根据香农公式可得网络端 到端信噪比阙值
Figure BDA0002624672730000209
W表示网络带宽；
FY(x)为
Figure BDA0002624672730000211
的累积分布函数，具体为：
Figure BDA0002624672730000212
式中，
Figure BDA0002624672730000213
为源节点S到选定中继节点Ri链路的信道莱斯因子；
Figure BDA0002624672730000214
为源节点S到选定中继节点Ri信道增益随机变量
Figure BDA0002624672730000215
的均值；
C1理论取值为无穷大，C1取值越大计算结果越精确，实际应用中取大 于30的正整数可满足绝大部分情况下精确性要求；
fX(x)为
Figure BDA0002624672730000216
的概率密度函数，具体如下式：
Figure BDA0002624672730000217
式中，
Figure BDA0002624672730000218
Figure BDA0002624672730000219
为选定中继节点Ri到 目的节点D链路的信道莱斯因子，
Figure BDA00026246727300002110
为选定中继节点Ri到目的节点D的 信道增益随机变量
Figure BDA00026246727300002111
的均值，C2理论取值为无穷大，C2取值越大计算结 果越精确，实际应用中取大于30的正整数可满足绝大部分情况下精确性要 求。
(2)选定中继节点Ri能量受限的概率：
当选定中继节点Ri从源节点S处收集到的能量Ei小于电路门限值时， 选定中继节点Ri无法工作，此时网络发生中断；因此选定中继节点Ri能量 受限的概率计算如下式：
Figure BDA0002624672730000221
式中，EQ表示的是中继电路的启动(激活)能量门限值；
Figure BDA0002624672730000222
(3)选定中继节点Ri能量够用的概率：
当选定中继节点Ri从源节点S处收集到的能量Ei大于中继电路的启动 (激活)能量门限值时，选定中继节点Ri正常工作，则选定中继节点Ri能 量够用的概率计算具体如下式：
Figure BDA0002624672730000223
因此，网络的端到端中断概率为：
Pout＝Plack+Penough*Plinkout,
代入(18)(19)(20)式化简后的网络中断概率计算公式如下：
Figure BDA0002624672730000224
式中，Kv(·)为第二类v阶修正贝塞尔函数，
Figure BDA0002624672730000225
吞吐量计算模块，用于根据网络的端到端中断概率计算网络的吞吐量； 网络的吞吐量计算如下式：
Figure BDA0002624672730000231
网络分析优化单元：用于根据第二计算单元计算的吞吐量对莱斯衰落 信道条件下的网络性能进行评估，并根据评估结果对网络进行优化。
本实施例，分析源节点总发射功率、源节点天线数量、信道莱斯因子、 时间分割因子、中继节点能量转化效率以及节点相对位置等因素对户外无 线能量传输驱动中继网络端到端中断概率及吞吐量性能的影响，具体网络 性能评估包括以下几种情况：
(1)当源节点总发射功率、源节点天线数量、信道莱斯因子、中继节 点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，随着 时间分割因子的增大，网络中断概率先减小后增大；
(2)当源节点总发射功率、源节点天线数量、时间分割因子、中继节 点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，信道 莱斯因子越大，网络中断概率越小；
(3)当源节点天线数量、信道莱斯因子、时间分割因子、中继节点能 量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，源节点总 发射功率越大，网络的吞吐量越大；
(4)当源节点总发射功率、信道莱斯因子、时间分割因子、中继节点 能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，当源节 点天线数量越多网络吞吐量越大；
(5)当源节点总发射功率、源节点天线数量、信道莱斯因子、时间分 割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定 的情况下，选择与源节点和目的节点距离之和最短的中继作为选定中继时 的网络吞吐量要优于选择与源节点距离最短的中继节点作为选定中继时的 网络吞吐量。
如图5所示，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计 算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中无线能量传输驱动 的两跳多中继网络性能分析方法，或者计算机程序被处理器执行时实现上述 实施例中无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流 程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序 可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时， 可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中 所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易 失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编 程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM) 或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存 储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、 动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率 SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路 (Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、 直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态 RAM(RDRAM)等。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相 同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的 不同之处。尤其，对于装置或网络实施例而言，由于其基本相似于方法实 施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。 以上所描述的装置及网络实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件 说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可 以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到 多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实 现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况 下，即可以理解并实施。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅 仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求 或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且， 术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而 使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而 且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一 个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设 备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或 实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而 易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情 况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这 些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范 围。

Claims (9)

1.一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取两跳多中继网络相关计算所需数据；包括源节点天线数量及其天线发射功率、中继节点数量、源节点发射总功率、源节点至各中继节点的距离、各中继节点到目的节点的距离、网络配置参数；
计算系统网络中选定中继节点接收源节点能量传输信号及信息传输信号，及目的节点接收选定中继节点的信息传输信号；
计算确定网络的端到端中断概率及吞吐量；
根据计算的吞吐量对莱斯衰落信道条件下的网络性能进行评估，根据评估结果对网络进行优化；其中，
网络由无线通信连接的一个源节点S，NR个能量受限的中继节点Ri(1≤i≤NR)和一个目的节点D组成；源节点S配备多根天线，各中继节点Ri和目的节点D均为单天线设备。
2.如权利要求1所述的无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法，其特征在于，所述计算系统网络中选定中继节点接收源节点能量传输信号及信息传输信号，及目的节点接收选定中继节点的信息传输信号具体包括以下步骤：
(1)在第一阶段中ρT内，选定中继节点Ri从源节点S处收集到的能量Ei为：
Figure FDA0002624672720000011
式中，η(0＜η＜1)为中继节点能量转换效率；Ns为源节点S的天线数量；Psum为源节点S的发射总功率；发射总功率平均分配，Ps＝Psum/Ns为源节点S每根天线的发射功率；
Figure FDA0002624672720000012
为源节点S到选定中继节点Ri链路的信道系数；
Figure FDA0002624672720000021
为源节点S到选定中继节点Ri的距离；m为路径损耗指数；
(2)在第二阶段的(1-ρ)T/2内，选定中继节点Ri从源节点S处接收到的信息传输信号值
Figure FDA0002624672720000022
为：
Figure FDA0002624672720000023
式中，xs为源节点S每根天线的发射信号，满足E[|xs|2]＝PS；
Figure FDA0002624672720000024
表示选定中继节点Ri处均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声；
(3)在第三阶段的(1-ρ)T/2内，选定中继节点Ri利用从源节点S收获的能量，将从源节点S收到的信息传输信号放大转发给目的节点D，则目的节点D处接收到的信息传输信号值为：
Figure FDA0002624672720000025
式中，
Figure FDA0002624672720000026
为选定中继节点Ri到目的节点D链路的信道系数；nD为目的节点D处均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声；
Figure FDA0002624672720000027
为选定中继节点Ri到目的节点D的距离；
Figure FDA0002624672720000028
表示目的节点D处的噪声；
Figure FDA0002624672720000029
表示目的节点D处的有效信号；
Figure FDA00026246727200000210
为选定中继节点Ri发射的信息传输信号，表示为：
Figure FDA00026246727200000211
Figure FDA00026246727200000212
为放大系数，可计算选定中继节点Ri的放大系数
Figure FDA00026246727200000213
为：
Figure FDA0002624672720000031
其中
Figure FDA0002624672720000032
3.如权利要求2所述的无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法，其特征在于，所述网络的端到端中断概率包括网络链路中断的概率、选定中继节点Ri能量受限的概率、选定中继节点Ri能量够用的概率之和。
4.如权利要求3所述的无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法，其特征在于，所述
(1)网络链路中断的概率计算如下：
网络端到端信噪比为：
Figure FDA0002624672720000033
由于实际中，噪声功率N0与选定中继节点Ri的发射功率
Figure FDA0002624672720000034
满足
Figure FDA0002624672720000035
因此可忽略(4)式分母式中
Figure FDA0002624672720000036
部分括号中的N0，则公式(4)网络端到端信噪比可近似表示为：
Figure FDA0002624672720000037
令
Figure FDA0002624672720000038
γ0＝PS/N0为源节点S每根天线发射功率与噪声功率的比值，则公式(5)可重新表示为：
Figure FDA0002624672720000041
则，网络链路中断的概率计算如下式：
Figure FDA0002624672720000042
式中，系统网络最低所需的传输速率为R0，根据香农公式可得网络端到端信噪比阙值
Figure FDA0002624672720000043
W表示网络带宽；
FY(x)为
Figure FDA0002624672720000044
的累积分布函数，具体为：
Figure FDA0002624672720000045
式中，
Figure FDA0002624672720000046
为源节点S到选定中继节点Ri链路的信道莱斯因子；
Figure FDA0002624672720000047
为源节点S到选定中继节点Ri信道增益随机变量
Figure FDA0002624672720000048
的均值；
C1理论取值为无穷大；
fX(x)为
Figure FDA0002624672720000049
的概率密度函数，具体如下式：
Figure FDA00026246727200000410
式中，
Figure FDA00026246727200000411
Figure FDA00026246727200000412
为选定中继节点Ri到目的节点D链路的信道莱斯因子，
Figure FDA00026246727200000413
为选定中继节点Ri到目的节点D的信道增益随机变量
Figure FDA00026246727200000414
的均值，C2理论取值为无穷大；
(2)选定中继节点Ri能量受限的概率：
当选定中继节点Ri从源节点S处收集到的能量Ei小于电路门限值时，选定中继节点Ri无法工作，此时网络发生中断；因此选定中继节点Ri能量受限的概率计算如下式：
Figure FDA0002624672720000051
式中，EQ表示的是中继电路的启动能量门限值；
Figure FDA0002624672720000052
(3)选定中继节点Ri能量够用的概率：
当选定中继节点Ri从源节点S处收集到的能量Ei大于中继电路的启动能量门限值时，选定中继节点Ri正常工作，则选定中继节点Ri能量够用的概率计算具体如下式：
Figure FDA0002624672720000053
因此，网络的端到端中断概率为：
Pout＝Plack+Penough*Plinkout,
代入(7)(8)(9)式化简后的网络中断概率计算公式如下：
Figure FDA0002624672720000054
式中，Kv(·)为第二类v阶修正贝塞尔函数，
Figure FDA0002624672720000055
5.如权利要求4所述的无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法，其特征在于，所述网络的吞吐量计算如下式：
Figure FDA0002624672720000061
6.如权利要求1-5任意一项所述的无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法，其特征在于，所述根据计算的吞吐量对莱斯衰落信道条件下的网络性能进行评估包括以下几种情况：
(1)当源节点总发射功率、源节点天线数量、信道莱斯因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，随着时间分割因子的增大，网络中断概率先减小后增大；
(2)当源节点总发射功率、源节点天线数量、时间分割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，信道莱斯因子越大，网络中断概率越小；
(3)当源节点天线数量、信道莱斯因子、时间分割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，源节点总发射功率越大，网络的吞吐量越大；
(4)当源节点总发射功率、信道莱斯因子、时间分割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，当源节点天线数量越多网络吞吐量越大；
(5)当源节点总发射功率、源节点天线数量、信道莱斯因子、时间分割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，选择与源节点和目的节点距离之和最短的中继作为选定中继时的网络吞吐量要优于选择与源节点距离最短的中继节点作为选定中继时的网络吞吐量。
7.一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析系统，其特征在于，包括：
网络由无线通信连接的一个源节点S，NR个能量受限的中继节点Ri和一个目的节点D组成；源节点S配备多根天线，各中继节点Ri和目的节点D均为单天线设备；
还包括：
数据输入单元：用于输入两跳多中继网络相关计算所需数据；
包括源节点天线数量及其各发射功率、中继节点数量、源节点发射总功率、源节点至各中继节点的距离、各中继节点到目的节点的距离、网络配置参数等等；
第一计算单元：用于计算系统网络中选定中继节点接收源节点能量传输信号及信息传输信号，及目的节点接收选定中继节点的信息传输信号；
第二计算单元：用于根据第一计算单元计算结果计算确定网络的端到端中断概率及吞吐量；
网络分析优化单元：用于根据第二计算单元计算的吞吐量对莱斯衰落信道条件下的网络性能进行评估，并根据评估结果对网络进行优化。
8.计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法。
9.计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法。
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