[發(fā)明專利]基于能量協(xié)作的隨機(jī)中繼選擇方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910526972.7
• 申請(qǐng)日: 2019-06-18
• 公開（公告）號(hào): CN110267294B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉向麗;劉冬妮;李海嬌;李贊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W24/06
• 分類號(hào): H04W24/06;H04W40/10;H04W40/12;H04W40/22
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 程曉霞;王品華

1.一種基于能量協(xié)作的隨機(jī)中繼選擇方法，其特征在于，對(duì)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量協(xié)作分析，包括有如下步驟：

(1)建立單向中繼網(wǎng)絡(luò)模型：通信傳輸模型為單向中繼網(wǎng)絡(luò)，包括有一個(gè)源節(jié)點(diǎn)、一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)和多個(gè)采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式的中繼節(jié)點(diǎn)，分別標(biāo)記為S,D和R_i，其中i∈{1,2,······,n}；在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)依據(jù)概率選擇直通鏈路或者中繼鏈路，中繼鏈路傳輸時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)y_sr和目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)y_rd分別表示為：

其中，X_s是源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，X_r是中繼解碼后轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，d_i是源節(jié)點(diǎn)S到中繼節(jié)點(diǎn)R_i的距離，c_i是中繼節(jié)點(diǎn)R_i到目的節(jié)點(diǎn)D的距離，h_sr是瑞利衰落下源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)通信鏈路的信道系數(shù)，h_rd是瑞利衰落下中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)通信鏈路的信道系數(shù)，α是路徑損耗因子，P_sr和P_rd分別為源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，n_sr和n_rd分別表示中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)處的均值為0、方差為1的加性高斯白噪聲；

若源節(jié)點(diǎn)選擇直通鏈路，則目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)表示為：

其中，d是S到D的距離，h_sd是瑞利衰落下源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)通信鏈路的信道系數(shù)，P_sd是源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，n_sd表示目的節(jié)點(diǎn)處的均值為0、方差為1的加性高斯白噪聲；

(2)中繼節(jié)點(diǎn)存在的概率計(jì)算：利用泊松點(diǎn)過程在半徑為ρ的圓上，生成n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，在通信過程中，能夠被選擇參與通信的中繼節(jié)點(diǎn)稱為候選中繼節(jié)點(diǎn)，當(dāng)候選中繼節(jié)點(diǎn)集合不為空集的概率P{N≥1}表示為：

P{N≥1}＝1-exp(-λπρ²)

其中，λ代表中繼節(jié)點(diǎn)的密度，ρ為中繼網(wǎng)絡(luò)模型的半徑，N是候選中繼節(jié)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，n是網(wǎng)絡(luò)中中繼節(jié)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，N≤n；

(3)計(jì)算信噪比：計(jì)算源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)通信鏈路的信噪比，分別表示為γ_sr、γ_rd和γ_sd：

其中，σ²是加性高斯白噪聲的方差，σ²＝1；

(4)節(jié)點(diǎn)的能量收集和傳輸分析：當(dāng)源節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能狀態(tài)L_s[n]大于其向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量δ_sd，選擇直通鏈路進(jìn)行通信，得出源節(jié)點(diǎn)相鄰時(shí)隙的能量關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出源節(jié)點(diǎn)的電池穩(wěn)態(tài)分布，即源節(jié)點(diǎn)的能量公式；

若選擇中繼鏈路，源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)和能量，中繼接收到的能量一部分用于解碼消耗，另一部分存儲(chǔ)于中繼節(jié)點(diǎn)中；得到相鄰時(shí)隙源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)電池能量關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出中繼協(xié)作下源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的電池穩(wěn)態(tài)分布；

節(jié)點(diǎn)的能量收集和傳輸分析，具體包括如下步驟：

(4.1)源節(jié)點(diǎn)依據(jù)自身能量狀態(tài)選擇通信鏈路，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能狀態(tài)大于等于其向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量時(shí)，選擇直通鏈路進(jìn)行通信，源節(jié)點(diǎn)相鄰時(shí)隙的能量關(guān)系表示為：

L_s[n+1]＝L_s[n]+E_s[n]-δ_sd

其中，L_s[n]是第n個(gè)時(shí)隙源節(jié)點(diǎn)電池的儲(chǔ)能狀態(tài)，L_s[n+1]是第n+1個(gè)時(shí)隙源節(jié)點(diǎn)電池的儲(chǔ)能狀態(tài)，E_s[n]是源節(jié)點(diǎn)從環(huán)境中收集到的能量，δ_sd是源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量，得到源節(jié)點(diǎn)的電池穩(wěn)態(tài)分布：

(4.2)若選擇中繼鏈路，采用隨機(jī)中繼選擇方法，即源節(jié)點(diǎn)在中繼節(jié)點(diǎn)電池瞬時(shí)狀態(tài)和位置信息未知的條件下，隨機(jī)選擇第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)來協(xié)助信息的傳遞，此方法適用于低復(fù)雜度，嚴(yán)格功率或者帶寬限制的網(wǎng)絡(luò)，源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)和能量，中繼接收到的能量一部分用于解碼消耗，另一部分存儲(chǔ)于中繼節(jié)點(diǎn)中；此時(shí)，相鄰時(shí)隙源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)電池能量表示為：

L_s[n+1]＝L_s[n]+E_s[n]-δ_sr

L_r[n+1]＝L_r[n]+E_r[n]+βδ_sr-δ_rd

其中，L_r[n]是第n個(gè)時(shí)隙中繼節(jié)點(diǎn)電池的儲(chǔ)能狀態(tài)，L_r[n+1]是第n+1時(shí)隙中繼節(jié)點(diǎn)電池的儲(chǔ)能狀態(tài)，E_r[n]是中繼節(jié)點(diǎn)從環(huán)境中收集到的能量，δ_sr是源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量，βδ_sr的能量被存儲(chǔ)于中繼節(jié)點(diǎn)，(1-β)δ_sr的能量被中繼用于解碼消耗，其中0≤β≤1，δ_rd是中繼節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量；同理得到中繼協(xié)作下源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的電池穩(wěn)態(tài)分布：

中繼鏈路源節(jié)點(diǎn)的電池穩(wěn)態(tài)分布與直通鏈路下源節(jié)點(diǎn)的電池的穩(wěn)態(tài)分布不同；

(5)得到中斷概率表達(dá)式，用于衡量能量協(xié)作下通信性能：由源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)能量公式和信噪比公式，令P_sd＝δ_sd,P_sr＝δ_sr,P_rd＝δ_rd，分別計(jì)算出直通鏈路的通路概率P₁和中繼鏈路通路的概率P₂，得出能量協(xié)作下衡量通信性能的中斷概率表達(dá)式P_out，中斷概率表達(dá)式P_out用于衡量通信鏈路的質(zhì)量；

計(jì)算直通鏈路的通路概率P₁，具體如下：

當(dāng)鏈路容量C不滿足所要求的用戶速率r₀時(shí)，中斷事件就會(huì)發(fā)生，根據(jù)定義中斷概率P_out表示為：

P_out＝P{C＜r₀}＝P{γ＜ε}

其中，γ表示信噪比，ε為信噪比門限，r₀為通信過程中的信息傳輸速率，由香農(nóng)定理可知結(jié)合相應(yīng)鏈路的信噪比公式和電池穩(wěn)態(tài)分布得到直通鏈路的通路概率P₁：

計(jì)算中繼鏈路的通路概率P₂，具體如下：

中繼鏈路的通路概率是由信噪比和中繼鏈路電池穩(wěn)態(tài)分布結(jié)合得出；

能量協(xié)作下衡量通信性能的中斷概率表達(dá)式P_out，具體如下，只有當(dāng)直通鏈路和中繼鏈路同時(shí)中斷時(shí)，中斷事件才會(huì)發(fā)生，計(jì)算出P_out：

最終，中斷概率是由直通鏈路和中繼鏈路共同得出。