本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種采用機會性能量采集的多中繼系統(tǒng)的協(xié)作傳輸方法。
背景技術(shù)：
：在無線傳感網(wǎng)中，傳感節(jié)點的工作時間往往受到電池電量的限制。通過能量采集技術(shù)使傳感器節(jié)點從周圍環(huán)境中獲得能量可以有效延長網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。隨著無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展，除了太陽能、風(fēng)能等常規(guī)可再生能源外，射頻信號也成為一種新的可用能源。在無線傳感網(wǎng)或無線中繼網(wǎng)中，低功耗的中繼或傳感器節(jié)點從源節(jié)點發(fā)送的射頻信號中獲得能量和數(shù)據(jù)，然后利用采集的能量對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。目前已有一些工作對中繼系統(tǒng)中的能量和數(shù)據(jù)同傳進行了研究。比如，研究了當(dāng)目的節(jié)點具有能量采集能力時，能獲得中繼系統(tǒng)最佳折中性能的系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法；研究了當(dāng)采用時分或功分中繼協(xié)議時，AF或DF中繼系統(tǒng)的中斷概率和吞吐量性能。目前的研究工作均未考慮在衰落信道中，當(dāng)源節(jié)點和目的節(jié)點間存在多個中繼時，如何根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的信道狀態(tài)信息選擇中繼節(jié)點，確定源節(jié)點和中繼節(jié)點的發(fā)送功率、發(fā)送速率，在滿足所有中繼的數(shù)據(jù)和能量因果約束的條件下，使系統(tǒng)獲得最大的遍歷容量。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于彌補上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種采用機會性能量采集的多中繼系統(tǒng)的協(xié)作傳輸方法，使系統(tǒng)在滿足源節(jié)點S的功率約束和中繼R的因果約束的條件下，獲得最大的平均吞吐量。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種采用機會性能量采集的多中繼系統(tǒng)的協(xié)作傳輸方法，包括如下步驟：(1)源節(jié)點S根據(jù)所有中繼節(jié)點和目的節(jié)點發(fā)送的導(dǎo)頻信息估計所有S-R和S-D鏈路的信道信息γsl,l＝0,…,L，式中，L表示中繼節(jié)點的個數(shù)，γs0表示S-D鏈路的信道信息；同時，每個中繼節(jié)點根據(jù)目的節(jié)點D發(fā)送的導(dǎo)頻信息估計每條R-D鏈路的信道信息γrm,m＝1,…L；(2)源節(jié)點S和所有中繼節(jié)點啟動計時器，源節(jié)點S的計時器的初始值式中，γ＝[γs1,…,γsL]，ρl(γ)為指示變量，l＝0,…,L,表示取中的最大值；當(dāng)l＝0時，當(dāng)1≤l≤L時，其中，表示源節(jié)點S向目的節(jié)點D發(fā)送信息的最優(yōu)功率，表示源節(jié)點S向第l個中繼節(jié)點發(fā)送信息的最優(yōu)功率，N0表示噪聲功率；第l個中繼節(jié)點的計時器的初始值其中，νl為拉格朗日乘子，表示第l個中繼節(jié)點的最優(yōu)發(fā)送功率；計時器先減為0的節(jié)點被設(shè)為發(fā)送節(jié)點，發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個廣播信號，接收到廣播信號的節(jié)點停止計時；(3)若源節(jié)點S為發(fā)送節(jié)點，源節(jié)點S計算指示變量ρl(γ)：若ρ0(γ)＝1，源節(jié)點S直接通過直達徑向目的節(jié)點D發(fā)送信息，所有中繼節(jié)點處于能量采集狀態(tài)；若ρl(γ)＝1，源節(jié)點S向第l個中繼節(jié)點發(fā)送信息，其余中繼節(jié)點采集能量，目的節(jié)點D通過直達徑獲得部分信息；(4)若第l個中繼節(jié)點為發(fā)送節(jié)點，該中繼節(jié)點利用采集的能量對接收的信息進行解碼前傳；在第l個中繼節(jié)點發(fā)送期間，其余中繼節(jié)點處于能量采集狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果為：在某些特殊場景中，人工為傳感器或中繼節(jié)點更換電池是不現(xiàn)實的。本發(fā)明中的中繼節(jié)點同時具有能量采集和信息解碼的功能，可根據(jù)信道信息在兩種功能間切換。本發(fā)明不需要專門為中繼節(jié)點發(fā)送能量信號，而是讓中繼節(jié)點機會性地從接收到的射頻信號中獲取能量，從而減少了系統(tǒng)的總功耗。通過合理選擇中繼節(jié)點的數(shù)量和位置，可以有效提高系統(tǒng)的平均吞吐量。附圖說明圖1是采用無線能量供電的多中繼系統(tǒng)的模型(當(dāng)源節(jié)點S給目的節(jié)點D或其中一個中繼節(jié)點發(fā)數(shù)據(jù)時，其余中繼節(jié)點從接收的射頻信號中采集能量)；圖2是當(dāng)中繼節(jié)點個數(shù)不同時，源節(jié)點S的平均發(fā)送功率和系統(tǒng)平均吞吐量的關(guān)系曲線。具體實施方式在本發(fā)明所研究的系統(tǒng)中，源節(jié)點S和目的節(jié)點D之間存在一條遭受深衰落的直達徑。所有中繼R均無穩(wěn)定的能量供應(yīng)，只能從源節(jié)點S發(fā)送的射頻信號中獲取能量。下面結(jié)合附圖對本
發(fā)明內(nèi)容作進一步詳細說明。在圖1所示的系統(tǒng)模型中，源節(jié)點S和目的節(jié)點D之間有一條遭受深衰落的直達徑，所有中繼節(jié)點對來自源節(jié)點S的信息進行解碼前傳。為避免干擾，在任意時刻，只有一個節(jié)點可以發(fā)送信息。令表示指示變量：l＝0時，ρ0(γ)表示S直接向D發(fā)送信息的指示變量；1≤l≤L時，ρl(γ)表示S向第l個中繼節(jié)點發(fā)送信息的指示變量；1≤l≤L時，表示第l個中繼節(jié)點向D發(fā)送信息的指示變量。所有指示變量滿足約束條件若S通過直達徑向D發(fā)送信息，則ρ0(γ)＝1；若S給第l個中繼節(jié)點發(fā)送信息，則ρl(γ)＝1；若第l個中繼節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送信息，則源節(jié)點的發(fā)送信息被分成L+1個獨立部分：一部分直接通過直達徑發(fā)送給目的節(jié)點D，發(fā)送功率為Ps0(γ)，發(fā)送速率平均發(fā)送速率為Eγ{rs0(γ)}；第l部分通過第l個中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點，發(fā)送功率為Psl(γ)，發(fā)送速率平均發(fā)送速率為第l個中繼節(jié)點的發(fā)送功率為Prl(γ)，發(fā)送速率我們的目的是對發(fā)送功率和指示變量進行優(yōu)化，使系統(tǒng)在滿足源節(jié)點的平均功率約束和中繼節(jié)點因果約束的條件下，獲得最大的平均吞吐量。該優(yōu)化問題可表示為如下數(shù)學(xué)問題：max{Psl(γ),ρl(γ),ρ^l(γ),Prl(γ)}Eγ{rs0}+Σl=1Lr‾ls.t.r‾l≤min(Eγ{rsl(γ)},Eγ{rdl(γ)+rrl(γ)}),l=1,...L,Σl=0Lρl(γ)+Σl=1Lρ^l(γ)=1Σl=0LEγ{ρl(γ)Psl(γ)}≤PaΣl′=0l′≠lLEγ{ρl′(γ)ηγslPsl′(γ)}≥Eγ{ρ^l(γ)Prl(γ)},l=1,...,L{Psl(γ),Prl(γ)}≥0,{ρl(γ),ρ^l(γ)}∈{0,1}---(1)]]>其中，Pa為源節(jié)點的平均功率約束，第四個約束條件表示中繼節(jié)點接收的能量應(yīng)大于等于采集的能量。我們通過變量替換將上述問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題。令由于凸優(yōu)化問題具有強互易性，我們通過最小化互易函數(shù)來獲得(1)的最優(yōu)解。(1)的互易函數(shù)可表示為：其中，L表示和(1)相關(guān)的拉格朗日乘子式，μ,v,θ為相應(yīng)的拉格朗日乘子。利用歐拉方程，可以得到(2)的最優(yōu)解為：同時，L相對于ρl(γ),的偏導(dǎo)可表示為∂L∂ρ0(γ)=log(1+γs0Ps0N0)-γs0Ps0(γs0Ps0+N0)ln2∂L∂ρl(γ)=vl(log(1+γs0PslN0)-γs0Psl(γs0Psl+N0)ln2)+μl(log(1+γslPslN0)-γslPsl(γslPsl+N0)ln2)∂L∂ρ^l(γ)=vl(log(1+γrlPrlN0)-γrlPrl(γrlPrl+N0)ln2)---(4)]]>從(4)式可以看出，和僅和信道信息相關(guān)。因此，ρl(γ),的最優(yōu)值必然在端點處取得。若否則，令若則否則如果則最小化互易函數(shù)的問題可表示為：上述問題可通過次梯度法求解。最優(yōu)的拉格朗日乘子可通過如下迭代算法計算：其中，n表示迭代次數(shù)，m為常數(shù)，[x]+表示x在集合內(nèi)的投影，圖2展示了當(dāng)中繼節(jié)點的個數(shù)為0-3時，系統(tǒng)平均吞吐量和源節(jié)點平均發(fā)送功率的關(guān)系。我們所采用的系統(tǒng)模型如圖1所示。S和D之間的距離為10m；S和第一個中繼節(jié)點R1之間的距離為1m；S和第二個中繼節(jié)點R2，第三個中繼節(jié)點R3之間的距離為R2，R3和D之間的距離為S和中繼節(jié)點之間的信道的小尺度衰落服從均值為0，方差為1的復(fù)高斯分布；D和中繼節(jié)點之間的信道的小尺度衰落服從均值為0，方差為1的復(fù)高斯分布。S和D之間的直達徑服從從均值為0，方差為0.01的復(fù)高斯分布。從圖2中可以看出，當(dāng)L＝1，2時，相比無中繼傳輸，采用無線能量充電的中繼節(jié)點顯著提高了系統(tǒng)的平均吞吐量。但當(dāng)L從2增加到3時，系統(tǒng)吞吐量只有輕微提高。當(dāng)前第1頁1 2 3