[發明專利]一種適用于能量和信息同傳網絡分組的中繼選擇方法

有效

• 申請號: 201710687186.6
• 申請日: 2017-08-08
• 公開（公告）號: CN107295598B
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 胡封曄;隋丹;于景超;凌壯;侯景博;趙楠;毛執
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/22;H04B17/391;H04B17/40
• 代理公司: 北京華仲龍騰專利代理事務所(普通合伙) 11548
• 代理人: 李靜

1.一種適用于能量和信息同傳網絡分組的中繼選擇方法，其特征在于，

(1)系統場景分析：

所述系統場景中有一個信號源節點S，N個進行能量收集和信息傳輸的中繼節點R_i放在指定的位置，和一個目的通信節點D，信號源節點和目的節點之間沒有直達路徑，中繼節點采用譯碼轉發的工作方式，每次數據的傳輸時間段是T；

(2)時間分配中繼選擇策略，包括以下步驟：

1)建立源節點到中繼節點最大傳輸速率模型：

時間分配中繼機制下源節點到每個中繼節點的最大傳輸速率模型如公式(1)所示：

其中為源節點到第i個中繼節點的最大傳輸速率,TS表示時間分配機制，i表示第i個中繼節點，是源節點到第i個中繼節點傳輸信號時，第i個中繼節點的信噪比，P_S是源節點的發射功率，|h_S,i|²是源節點到第i個中繼節點的信道功率增益，d_S,i是源節點到第i個中繼節點的距離，表示d_S，i的m次方，m是路徑損耗參數，是源節點到第i個中繼節點的噪聲；

2)利用最大化傳輸速率進行初次中繼選擇：

初次中繼選擇的優化目標是最大化源節點到中繼節點的吞吐量，源節點選擇傳輸速率最大的小組傳輸信號，其中小組的傳輸速率是源到小組中的中繼節點能實現的傳輸速率的最小值，源節點的中繼選擇方法如公式(2)所示：

被選中繼節點以k個為一組自由組合，其中f表示被選擇的小組，是第f個包含k個中繼節點的小組，表示在時間分配機制下第q個包含k個中繼節點的小組的傳輸速率；

3)建立中繼節點到目的節點最大傳輸速率模型：

通過上述步驟2)推導出被選小組，考慮時間分配機制下，中繼節點的傳輸時間被分為能量收集和信息傳輸兩部分，其中在αT時間段內中繼節點從信號中收集能量，剩余時間用于信息傳輸，每個中繼節點到目的節點的最大傳輸速率模型如公式(3)所示：

其中是在第l時間段內中繼節點i到目的節點的最大傳輸速率，D表示目的節點，表示在第l個時間段內第i個中繼節點向目的節點傳輸信號時目的節點的信噪比，P_i^TS(l)是第i個中繼節點的發射功率，由上一時間段的剩余能量、本時間段收集的能量以及信息傳輸時間(1-α)T/2決定，中繼節點將全部剩余能量作為能量源來傳輸信號，|h_i,D|²是第i個中繼節點到目的節點的信道功率增益，d_i，D是第i個中繼節點到目的節點距離表示d_i，D的m次方，m是路徑損耗參數，是第i個中繼節點到目的節點的噪聲；

4)利用到目的節點的最大傳輸速率進行二次中繼選擇：

二次中繼選擇的優化目標是在最大化吞吐量的同時實現能量的積累，選擇被選小組中到目的節點傳輸速率最大的中繼節點傳輸信息，中繼選擇方法如公式(4)所示：

其中n表示小組中第n個中繼節點被選擇來傳輸信號到目的節點；

5)建立吞吐量模型：

源節點在每個時間段以和最大傳輸速率相同的速率傳輸信號，直到系統停止工作，被選擇的中繼節點的吞吐量模型如公式(5)所示：

其中τ^TS表示在時間分配機制下的吞吐量，M表示系統停止工作之前信息傳輸的總的時間段數量，考慮時間分配中繼機制中每個時間段內中繼節點的有效傳輸時間是(1-α)T/2，C^TS(l)表示第l時間段內被選擇的中繼節點實現的最大傳輸速率，模型描述如公式(6)所示：

然后考慮被選擇小組中其他節點繼續收集能量，根據時間分配機制，每個中繼節點額外收集的能量模型如公式(7)所示：

其中表示小組中其他節點比如第i個中繼節點在被選擇的節點傳輸信號的時候額外收集的能量，η表示能量轉換效率；在本時間段內中繼節點的調度問題是在中繼節點只在αT的時間段內收集能量的條件下進行；

(3)功率分配中繼選擇策略包括以下步驟：

1)建立源節點到中繼節點最大傳輸速率模型：

考慮功率分配機制下中繼節點把接收的信號功率分為兩部分，其中ρP用于能量收集，剩余部分用于信息傳輸，源節點到每個中繼節點的最大傳輸速率模型如公式(8)所示：

其中表示源節點到第i個中繼節點的最大傳輸速率，P_s表示源節點發射功率，|h_S,i|²是源節點到第i個中繼節點的信道功率增益，是源節點到第i個中繼節點傳輸信號時，第i個中繼節點的信噪比，d_S，i是源節點到第i個中繼節點的距離，表示d_S，i的m次方，m是路徑損耗參數，表示源節點到中繼節點i的噪聲；

2)利用到中繼節點的最大傳輸速率進行初次中繼選擇：

初次中繼選擇的優化目標是最大化源節點到中繼節點的吞吐量，源節點選擇傳輸速率最大的小組傳輸信號，源節點的中繼選擇方法如公式(9)所示：

其中f表示被選擇的小組，是第f個包含k個中繼節點的小組，表示第q個包含k個中繼節點的小組的傳輸速率，該速率是源到小組中的中繼節點能實現的傳輸速率的最小值；

3)建立中繼節點到目的節點最大傳輸速率模型：

每個中繼節點傳輸信號到目的節點的最大傳輸速率模型如公式(10)所示：

其中是在第l時間段內第i個中繼節點到目的節點的最大傳輸速率，表示在第l個時間段內每個中繼節點向目的節點傳輸信號時目的節點的信噪比，P_i^PS(l)是第i個中繼節點的發射功率，由上一時間段的剩余能量、本時間段收集的能量以及傳輸時間T/2決定，中繼節點將全部剩余能量作為能量源來傳輸信號，|h_i,D|²是第i個中繼節點到目的節點的信道功率增益，d_i，D是第i個中繼節點到目的節點距離，表示d_i，D的m次方，m是路徑損耗參數，是第i個中繼節點到目的節點的噪聲；

4)利用到目的節點的最大傳輸速率進行二次中繼選擇：

二次中繼選擇的優化目標是最大化吞吐量的同時實現能量的積累，到目的節點傳輸速率最大的中繼節點被選擇傳輸信號，二次中繼選擇方法如公式(11)所示：

其中n表示小組中第n個中繼節點被選擇傳輸信號到目的節點；

5)建立吞吐量模型：

源節點在每個時間段以和最大傳輸速率相同的速率傳輸信號，直到系統停止工作，被選擇的中繼節點的系統吞吐量模型如公式(12)所示：

其中τ^PS表示功率分配機制下系統的吞吐量，M表示系統停止工作之前信息傳輸的總的時間段數量，根據上述的功率分配中繼機制下，第l時間段內被選擇的中繼節點實現的最大傳輸速率模型C^PS(l)如公式(13)所示：

然后考慮被選擇小組中其他節點繼續收集能量，每個中繼節點額外收集的能量模型如公式(14)所示：

其中表示小組中其他節點如第i個中繼節點在被選擇的節點傳輸信號的時候額外收集的能量，在本時間段內中繼節點的調度問題是在中繼節點只在T/2的時間段內從ρP收集能量的條件下進行；

(4)求解節點調度的最優分組尺寸：

首先，假定源節點和目的節點位于區域的邊界，中繼節點分布在源節點和目的節點的中間區域，試驗k取不同值系統最終的吞吐量，通過比較得到一個最優分組尺寸；

然后，分別求解時間分配機制和功率分配機制下的最優分組尺寸，將中繼節點的坐標分別代入到上述的最大傳輸速率公式中，根據上述的中繼選擇方法分別計算小組尺寸不同時的吞吐量，最大吞吐量對應的小組尺寸即為最優分組尺寸；利用MATLAB軟件中的函數，在不同的分配機制和不同的節點狀態下繪制以分組尺寸為自變量的吞吐量變化曲線；

最后，分析仿真曲線中得到的吞吐量最大值以及對應的小組尺寸，該尺寸即為節點調度的最優分組尺寸。