一种无线中继节点工作量的分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线通信领域，具体设及一种无线中继节点工作量的分配方法。
【背景技术】
[0002] 在无线传感器网络中，由于传感器节点一般采用电池供电，能量有限，且应用环境 条件复杂，使得节点难W补充能量。因此，为了解决传感器节点能量问题，延长无线传感器 网络的生命周期，能量采集技术应运而生。同时，为了提高系统性能，降低无线网络的系统 时延，协作通信技术也起着非常重要的作用。因此，无线能量采集中继网络的研究对无线通 信领域的发展起着至关重要的作用。
[0003] 研究无线能量采集中继网络的重点都集中在中继选择方法上，而传统的中继选择 方法有:通过全双工的模式在两跳中继系统中提供离线的中继选择方法;在多节点中继系 统中通过寻求系统吞吐量最大的中继进行中继选择;基于信噪比来最小化信号误码率来进 行中继选择等。运些方法都需要知道每个中继的瞬时信道状态信息CSI和能量采集信息 ESI。然而在某些特殊情况下，瞬时信道状态信息和瞬时能量采集信息是无法获得的。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种无线中继节点工作量的分 配方法，本发明解决了无线能量采集中继网络在瞬时信道状态信息和瞬时能量采集信息无 法获得时的中继节点工作量分配问题，W兼顾能量利用效率的提高和算法复杂度的降低， 从而有效减小系统的传输时延。
[0005] 本发明采用如下技术方案：
[0006] -种无线中继节点工作量的分配方法，用于无线能量采集中继系统，所述系统包 括一个源节点、一个目的地节点及N个中继节点，包括如下步骤：
[0007] 获取各个中继节点的工作强度，所述工作强度定义为中继节点的平均数据到达率 与服务率的差值，当差值为负数时取零；
[000引N个中继节点依次接收源节点发送的数据，进行转发到达目的地节点，定义从第一 个中继节点开始接收数据到第N个中继节点接收数据完毕为一个工作周期；
[0009] 根据各个中继节点的工作强度，确定每个中继节点在一个工作周期内接收源节点 数据的时隙数；
[0010] 在一个工作周期内，捜索每个中继节点工作强度的最小值，调整时隙数，使N个中 继节点的工作强度达到合理。
[0011] 所述中继节点的服务率为该节点的平均吞吐量，所述平均吞吐量表达式为E{g化 化)T化））}，其中别-\-)=^1(：巧:(1 + -\-/;\^,,)，表示香农容量公式，11化)表示信道增益，1'化)表示 传输数据消耗的能量。
[0012] 所述中继节点的平均数据到达率表达式：
[0014] 式中，4表示第i个中继节点的平均数据到达率，N表示中继节点的个数，ti表示第 i个中继节点在一个循环周期的服务时间，、表示所有中继节点的数据到达率，即源节点发 送给中继节点的数据。
[0015] N个中继节点依次接收源节点发送的数据，进行转发到达目的地节点，具体是数据 的发送按照时隙划分，每个时隙分为=个阶段：
[0016] 阶段一，各个能量采集节点从环境中采集能量，所述能量采集节点包括中继节点 及源节点；
[0017] 阶段二，源节点向指定的中继节点发送信息；
[001引阶段S，各个中继节点向目的节点发送信息。
[0019] 源节点向指定的中继节点发送信息，且只有一个指定的中继节点。
[0020] 所述使N个中继节点的工作强度达到合理，具体使系统内所有中继节点的工作强 度之和最小。
[0021] 工作周期W时隙为单位，且取最小值。
[0022] 具体采用坐标轮换法捜索每个中继节点工作强度的最小值。
[0023] 本发明的有益效果：
[0024] (1)本发明W工作强度为目标函数确定中继节点的工作量分配，是的中继节点的 工作强度减小，并且达到资源合理分配；
[0025] (2)本发明使用数据到达率和服务率来构建目标函数值，利用长期统计信息确定 中继节点的选择和工作量分配，大大降低系统计算量和算法复杂度；
[0026] (3)本发明有效降低系统时延，提高网络性能。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明实施例采用的无线能量采集中继系统结构图；
[0028] 图2是本发明的工作流程图；
[0029] 图3是本发明实施例采用的坐标轮换算法的工作流程图；
[0030] 图4是采用本方法及中继轮换法及中继选择法的系统时延对比图；
[0031] 图5是无线中继网络中根据本发明实施例的方法，采用不同的工作周期长度的系 统时延的对比示意图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不 限于此。
[0033] 实施例
[0034] 如图2所示，一种无线中继节点工作量的分配方法，用于无线能量采集中继系统， 本实施例采用的系统模型为，一个两跳的能量采集中继系统，存在一个源节点S，一个目的 节点D和N个能量采集中继节点，中继节点定义为Ri, ie U，2，...，N}。假设源节点S和中继 节点Ri通过采集到的能量进行信号传输，使得目的节点D能够得到持续不断的能量供给。其 中，源节点S和中继节点Ri电池容量有限，同时能量损耗相比于传输能量而言可W忽略不 计。
[0035] 本系统按照时隙划分，每个时隙的时长相同，且分为=个阶段，阶段1，源节点和中 继节点从环境中W不同的能量采集速度进行能量采集;阶段2,源节点选择一个中继并通过 该中继进行信号传输;阶段3,每个能量不为空的中继传输信号到目的节点。
[0036] 每个时隙根据规定的中继选择算法进行中继选择，只有一个中继会被选中接收源 节点发送的数据，其余中继节点不接收。如图1所示，源节点到中继节点实线部分表明该时 隙选择某中继，虚线表示其他时隙选择相应的中继；中继节点到目的节点均为实线，表明中 继节点均发送数据到目的节点，为了避免目的节点发生碰撞，本发明实施例使用码字或者 不同子载波进行中继节点到目的节点的数据传输。
[0037] 本实施例中采用吞吐量最优策略(TO策略)分配能量。
[0038] 首先，本发明实施例的中继节点Ri在k+1时隙数据队列长度表示为前一个时隙的 数据队列长度与当前从源节点发送过来的数据之和减去该中继可W传输到目的节点的数 据;能量队列长度表示为前一个时隙的能量存储与当前采集的能量之和减去传输数据所消 耗的能量。
[0039] 本发明通过使中继节点的数据队列长度也称工作强度最低来降低系统时延。
[0040] 虽然每个中继的数据到达率有可能不同，但是我们可W把所有的中继节点当做一 个整体，运样，本发明将所有中继节点的数据队列长度的总和即为系统总时延。
[0041] 本发明一种无线中继节点的工作量分配方法，具体包括：
[0042] 第一步，获取各个中继节点的工作强度，所述工作强度定义为中继节点的平均数 据到达率与服务率的差值，当差值为负数时取零；
[0043] 所述平均数据到达率即为源节点的平均吞吐量，中继节点的服务率为该节点的平 均吞吐量。
[0044] 所述中继节点的服务率具体为：平均吞吐量表达式为E{g(h(k)T(k))}，其中
表示香农容量公式，h化)表示信道增益，T化)表示传输数据消耗的 能量。
[0045] 因为把所有中继节点作为一个系统，所W中继节点的平均数据到达率为
[0047]式中，表示中继节点在一个循环周期内的服务时间。分析公式可W发现当ti增大 时，《也跟着增大，呈正相关关系；当X二f,.增大时，其他中继节点的数据到