[發明專利]一種基于定點迭代的無線供能傳感器網絡時間分配方法

有效

• 申請號: 202010765357.4
• 申請日: 2020-08-03
• 公開（公告）號: CN112040498B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 王同;沈洋;高林;蔣宇飛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W52/02;H04W72/04;H04W84/18
• 代理公司: 深圳市添源知識產權代理事務所(普通合伙) 44451
• 代理人: 羅志偉

1.一種基于定點迭代的無線供能傳感器網絡時間分配方法，由以下星型拓撲無線供能傳感器網絡系統來實現，該系統包括：一個配備了K個天線的混合中繼節點HAP，N個單天線的傳感器節點SN以及云端，傳感器節點沒有配備能量存儲裝置，混合中繼節點和傳感器之間采用星形拓撲結構，云端負責從混合中繼節點收集傳感數據并對其進一步處理和利用，系統運行在周期為T的時間序列上,設h_i＝[h_i,1,h_i,2,...,h_i,K]為從混合中繼節點到第i個傳感器的信道系數向量，其中h_i,j表示從混合中繼節點的第j個天線到第i個傳感器的信道系數，系統通信分為能量傳輸階段和數據傳輸階段，具體方式如下：

(一)能量傳輸階段

混合中繼節點采用無線攜能通信技術和加權線性多天線波束形成技術，向所有傳感器節點傳輸無線射頻能量和資源分配信息，待發射信號可表示為：

其中，P是混合中繼節點的發射功率，其最大值為P_max，是第i個傳感器的波束形成權重向量，s表示歸一化的待發送資源分配信息，因此，第i個傳感器從混合中繼節點接收到的信號由下式表示：

y_i＝h_ix+n_i (2)

其中，表示第i個傳感器接收到的加性高斯白噪聲，表示噪聲的平均功率，傳感器利用功率分割系數0＜ρ_i＜1將接收到的射頻信號分別用于能量收集和資源分配信息譯碼，對于第i個傳感器，接收信號功率的ρ_i部分被用于資源分配信息譯碼，剩下的功率用于傳感器向混合中繼節點傳輸傳感數據，因此，第i個傳感器用于資源分配信息譯碼的信號可以表示為：

其中，是射頻信號轉為基帶信號引入的高斯噪聲，表示噪聲的平均功率，根據公式(3)，第i個傳感器在進行資源分配信息譯碼時的信噪比大小為：

則第i個傳感器得到的用于能量收集的信號如下所示：

第i個傳感器在能量傳輸階段可以收集到的能量大小E_i如下所示：

其中，E{·}表示求期望操作，η表示能量轉化效率，α表示整流電路的整流效率，τ₀表示能量傳輸階段的周期T占比；

(二)數據傳輸階段

傳感器節點負責在數據傳輸階段依次向混合中繼點傳輸傳感數據,傳感器需將所有的能量都消耗掉，第i個傳感器的傳輸功率p_i可由下式計算得到：

其中，τ_i表述數據傳輸階段的周期T占比；

定義參數θ_i如下所示:

其中，表示混合中繼節點接收到的高斯噪聲平均功率，表示從第i個傳感器到混合中繼節點的信道系數向量，根據香農公式，得到在ST-WPSNs場景下，一個周期T內第i個傳感器向混合中繼節點發送的數據量為：

其中，W表示系統帶寬；

(三)凸優化問題確定

傳感器吞吐量需求異構條件下的能量消耗最小化優化問題如下所示：

P1:

C1:R_i≥D_i,

C2:γ_i≥γ₀,

C3:0≤p_i≤p_max,

C4:0≤P≤P_max

C5:

C6:τ₀≥0,τ_i≥0,

其中，p_max表示傳感器的最大傳輸功率，τ＝{τ₁,τ₂,…,τ_N}，ρ＝{ρ₁,ρ₂,…,ρ_N}，N_s＝{1,2,…,N}表示所有傳感器節點的集合，約束C1中的D_i表示第i個傳感器的吞吐量需求，約束C2中的γ₀表示傳感器用于資源分配信息譯碼的最低譯碼信噪比門限，C3和C4分別表示傳感器和混合中繼節點的功率限制，C5和C6是和時間有關的約束,第i個傳感器節點的最優功率分割系數如下：

問題P1中，混合中繼節點的最優傳輸功率P^*＝P_max，將最優功率分割系數和混合中繼節點最優傳輸功率P^*帶入問題P1，得到下面等價的優化問題P2：

P2:

C1:

C3,C5,C6與所述P1中的C3,C5,C6相同

其中，P2是一個凸優化問題；

(四)求解凸優化問題

提出了一個基于梯度下降法和二分法的復雜度低的算法對所述凸優化問題P2進行求解，具體分析過程如下：

當給定τ₀的值時，根據約束C1中的等式，通過定點迭代法以線性收斂速率計算得到τ_i的值，迭代公式如下：

其中，n表示迭代次數，此外，定義r(τ₀)如下：

其中，r(τ₀)表示當給定τ₀時，能量傳輸和數據傳輸階段的總時間占一個周期T的比例；

使用梯度下降法得到使得的值小于1的之后可以通過二分法從區間中找到使得的值等于1的最優值最后，可以將帶入公式(13)，使用定點迭代法計算即可得到最優的傳感器信息傳輸時間分配τ^*；

(五)可行集為空的解決方法

考慮到問題P2的可行集可能為空，給出了相應的解決方案，給每個傳感器預先設定了一個傳輸優先級權重ω＝{ω₁,ω₂,…,ω_N}，每個權重都是大于等于零的數，當優化問題無解時，禁止某個傳感器向混合中繼節點傳輸數據，然后再此條件下重新求解優化問題；若優化問題依舊無解，則再繼續禁止剩余的傳感器傳輸數據，直到問題有解為止，第i個傳感器被禁止數據傳輸的概率π_i可通過下式進行計算：

通過上式(15)可以看出，當一個傳感器的傳輸優先級權重越大，其被禁止傳輸的概率也越大；當權重被設置為零時，則它永遠不會被禁止傳輸。