一种无线中继节点选择方法、系统、设备及计算机介质与流程
本发明涉及无线全双工中继通信技术领域，更具体地说，涉及一种无线中继节点选择方法、系统、设备及计算机介质。
背景技术：
随着通信业务需求的提高，可用频谱资源变得日趋紧张，与此同时，随着通信设备的不断增加，通信设备的能量消耗问题变得越来越突出；如何提高频谱利用率以及降低能量消耗问题变得越来越重要。
现有的一种解决提高频谱利用率以及降低能量消耗问题的方法是：借助全双工中继技术来实现信号传输。典型的全双工中继模型是：源节点发送传输信号至中继节点，中继节点利用自身收集的能量将接收的传输信号发送至目标节点。
然而，全双工中继模型中有多个中继节点，如何选择合适的中继节点来传输信号变得尤为重要。
综上所述，如何在全双工中继模型中选择合适的中继节点是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种无线中继节点选择方法，其能在一定程度上解决如何在全双工中继模型中选择合适的中继节点的技术问题。本发明还提供了一种无线中继节点选择系统、设备及计算机介质。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无线中继节点选择方法，包括：
基于信干噪比计算公式计算每一个中继节点的信干噪比；
确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点，以基于所述目标中继节点进行信号传输；
其中，所述信干噪比计算公式为：
p为源节点的发射功率，
优选的，所述确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点，包括：
当目标影响因子为
当目标影响因子为
当目标影响因子为
其中，所述最佳中继节点选择公式为：
所述最大有用信号中继节点选择公式为：
所述最小干扰中继节点选择公式为：
优选的，所述确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点之后，还包括：
基于各个中继节点选择公式对应的中断概率计算公式分析各类参数对目标中继节点的中断概率的影响；
其中，所述最佳中继节点选择公式对应的最佳中断概率计算公式为：
所述最大有用信号中继节点选择公式对应的最大中断概率计算公式为：
所述最小干扰中继节点选择公式对应的最小中断概率计算公式为：
其中，k1(·)为1阶贝塞尔函数，γ0为目标信干噪比，λ为相应信道的参数，n为中继节点的总数量。
优选的，所述确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点之后，还包括：
基于各个中继节点选择公式对应的中断概率边界公式分析各类参数对目标中继节点的中断概率的影响；
其中，所述最佳中继节点选择公式对应的最佳中断概率边界公式为：
所述最大有用信号中继节点选择公式对应的最大中断概率边界公式为：
所述最小干扰中继节点选择公式对应的最小中断概率边界公式为：
本发明还提供了一种无线中继节点选择系统，包括：
信干噪比计算模块，用于基于信干噪比计算公式计算每一个中继节点的信干噪比；
确定模块，用于确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点，以基于所述目标中继节点进行信号传输；
其中，所述信干噪比计算公式为：
p为源节点的发射功率，
优选的，所述确定模块包括：
最佳中继节点确定单元，用于当目标影响因子为
最大有用信号中继节点确定单元，用于当目标影响因子为
最小干扰中继节点确定单元，用于当目标影响因子为
其中，所述最佳中继节点选择公式为：
所述最大有用信号中继节点选择公式为：
所述最小干扰中继节点选择公式为：
优选的，还包括：
第一分析模块，用于基于各个中继节点选择公式对应的中断概率计算公式分析各类参数对目标中继节点的中断概率的影响；
其中，所述最佳中继节点选择公式对应的最佳中断概率计算公式为：
所述最大有用信号中继节点选择公式对应的最大中断概率计算公式为：
所述最小干扰中继节点选择公式对应的最小中断概率计算公式为：
其中，k1(·)为1阶贝塞尔函数，γ0为目标信干噪比，λ为相应信道的参数，n为中继节点的总数量。
优选的，还包括：
第二分析模块，用于基于各个中继节点选择公式对应的中断概率边界公式分析各类参数对目标中继节点的中断概率的影响；
其中，所述最佳中继节点选择公式对应的最佳中断概率边界公式为：
所述最大有用信号中继节点选择公式对应的最大中断概率边界公式为：
所述最小干扰中继节点选择公式对应的最小中断概率边界公式为：
本发明还提供了一种无线中继节点选择设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上任一所述一种无线中继节点选择方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机介质，包括：所述计算机介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一所述一种无线中继节点选择方法的步骤。
本发明提供的一种无线中继节点选择方法，先基于信干噪比计算公式计算每一个中继节点的信干噪比，借助信干噪比计算公式可以方便快速的得到每一个中继节点的信干噪比；然后确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点，以基于目标中继节点进行信号传输，这样可以在一定程度上使得进行信号传输的目标中继节点的性能最优。综上所述，本发明提供的一种无线中继节点选择方法在一定程度上解决了如何在全双工中继模型中选择合适的中继节点的技术问题。本发明提供的一种无线中继节点选择系统、设备及计算机介质也解决了相应的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为全双工中继节点的模型及时隙结构图；
图2为本发明实施例提供的一种无线中继节点选择方法的流程图；
图3为三种中继节点选择方法的中断概率随能量收集时间变化曲线图；
图4为三种中继节点选择方法的吞吐量随能量收集时间变化曲线图；
图5为三种中继节点选择方法的中断概率随snr的变化曲线图；
图6为三种中继节点选择方法的吞吐量随snr的变化曲线图；
图7为三种中继节点选择方法的中断概率随中继节点数目的变化曲线图；
图8为本发明实施例提供的一种无线中继节点选择系统的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种无线中继节点选择设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为全双工中继节点的模型及时隙结构图。其中源节点s在中继节点ri的协助下将信息发送至目的节点d，且源节点与目的节点配置一根天线；每个全双工中继节点配置两根天线。假设中继节点利用一根天线来进行信号和能量接收，利用另一根天线来转发接收到的信号，中继节点采用放大转发的工作模式，即接收信息进行放大处理后再转发出去。整个信号传输过程分为两个阶段，第一个阶段是能量收集阶段，中继节点接收来自源节点的射频信号用于收集能量；第二个阶段是信号传输阶段，中继节点利用收集到的能量将接收到的信号转发至目的节点。
为了描述方便，这里将最佳中继节点选择公式对应的方法称为最佳中继节点选择方法，将最大有用信号中继节点选择公式对应的选择方法称为最大有用信号中继节点选择方法，将最小干扰中继节点选择公式对应的方法称为最小干扰中继节点选择方法。本申请的发明人推导各个方法的相应公式的过程如下：
假设所有信道均服从瑞利分布且相互独立，因此，|hj|2(j∈sri,ridi,ri)服从指数分布且参数为λj，而对于服从指数分布、参数为x的随机变量的概率密度函数为：
令源节点的发射功率为p，能量收集时间为αt，则信息传输时间为(1-α)t。在能量收集阶段，中继节点接收到的信号为：
假设中继节点将收集的能量全部用来进行信号传输，则第i个中继节点的发射功率为：
接着令源节点的发射信号为xs(t)，其功率为p，每一个中继节点的发射信号为
其中，
其中，
本发明实施例提供的一种中继节点选择方法中各个步骤的动作执行主体可以为本发明实施例提供的一种中继节点选择系统，而该系统可以内置于计算机、服务器等中，所以本发明实施例提供的一种中继节点选择方法中各个步骤的动作执行主体还可以为计算机、服务器等。为了描述方便，这里将本发明实施例提供的一种中继节点选择方法中各个步骤的动作执行主体设为本发明实施例提供的一种中继节点选择系统，简称为选择系统。
请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种无线中继节点选择方法的流程图。
本发明实施例提供的一种无线中继节点选择方法，可以包括以下步骤：
步骤s101：基于信干噪比计算公式计算每一个中继节点的信干噪比。
其中，信干噪比计算公式为：
p为源节点的发射功率，
实际应用中，选择系统可以先基于信干噪比计算公式计算每一个中继节点的信干噪比。在计算每一个中继节点的信干噪比时，需要先获取每一个中继节点的相应参数，比如该中继节点的自干扰链路的信道衰落系数等，这些参数可以是预先输入选择系统中的，也可是选择系统实时测量得到的等，本发明在这里不做具体限定。
步骤s102：确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点，以基于目标中继节点进行信号传输。
选择系统在计算出每一个中继节点的信干噪比后，便可以确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点，这里所说的目标中继节点指的是用来进行信号传输的中继节点。选择系统确定信干噪比值最大的中继节点的过程可以为：选择系统先获取一个信干噪比值作为当前信干噪比值，然后将当前信干噪比值与下一个信干噪比值比较大小，将值大的信干噪比值确定为当前信干噪比值，再将当前信干噪比值与下一个信干噪比值进行比较，仍然确定值大的信干噪比值为当前信干噪比值，重复这些步骤，直到每一个信干噪比值均参与了比较过程，最后一次的当前信干噪比值即为最大的信干噪比值。
本发明提供的一种无线中继节点选择方法，先基于信干噪比计算公式计算每一个中继节点的信干噪比，借助信干噪比计算公式可以方便快速的得到每一个中继节点的信干噪比；然后确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点，以基于目标中继节点进行信号传输，这样可以在一定程度上使得进行信号传输的目标中继节点的性能最优。综上所述，本发明提供的一种无线中继节点选择方法在一定程度上解决了如何在全双工中继模型中选择合适的中继节点的技术问题。
本发明实施例提供的一种无线中继节点选择方法，具体可以为：
基于信干噪比计算公式计算每一个中继节点的信干噪比；
当目标影响因子为
当目标影响因子为
当目标影响因子为
其中，最佳中继节点选择公式为：
最大有用信号中继节点选择公式为：
最小干扰中继节点选择公式为：
由最佳中继节点选择公式可知，所有的影响因子的影响均考虑到了，所以最佳中继节点选择公式确定的目标中继节点的信干噪比是最优的，但其复杂度较大；由最大有用信号中继节点选择公式可知，最大有用信号中继节点选择公式确定的目标中继节点无需自干扰信道状态信息，其复杂度较低；由最小干扰中继节点选择公式可知，最小干扰中继节点选择公式确定的目标中继节点所需的信道状态信息最少，其复杂度最小。实际需要中，可以根据不同的实际需求选择相应的中继节点选择公式来确定目标中继节点。
本发明实施例提供的一种无线中继节点选择方法中，确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点之后，还可以包括：
基于各个中继节点选择公式对应的中断概率计算公式分析各类参数对目标中继节点的中断概率的影响；
其中，最佳中继节点选择公式对应的最佳中断概率计算公式为：
最大有用信号中继节点选择公式对应的最大中断概率计算公式为：
最小干扰中继节点选择公式对应的最小中断概率计算公式为：
其中，k1(·)为1阶贝塞尔函数，γ0为目标信干噪比，λ为相应信道的参数，n为中继节点的总数量。
最佳中断概率计算公式的推导过程如下：当信干噪比低于目标信干噪比时，则认为中断事件发生，因此最佳中继节点选择方法的中断概率计算公式为：
其中，
其中
根据上式，可得最佳中继节点选择下的中断概率计算公式为：
与最佳中断概率计算公式的推导过程类似，可得最大中断概率计算公式为：
相应的，最小中断概率计算公式为：
实际应用中，评价一个中断节点性能好坏的一个因素是中断概率，往往中断概率值最小，中继节点的性能最优；所以选择系统在确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点之后，还可以根据各个中继节点选择公式对应的中断概率计算公式分析各个参数对目标中继节点的中断概率的影响，以便根据分析结果设定相应的中继节点选择公式确定的目标中继节点的最适宜参数等，这里所说的最适宜参数指的是使得目标中继节点的中断概率值最小的参数。
本发明实施例提供的一种无线中继节点选择方法中，确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点之后，还可以包括：
基于各个中继节点选择公式对应的中断概率边界公式分析各类参数对目标中继节点的中断概率的影响；
其中，最佳中继节点选择公式对应的最佳中断概率边界公式为：
最大有用信号中继节点选择公式对应的最大中断概率边界公式为：
最小干扰中继节点选择公式对应的最小中断概率边界公式为：
实际应用中，可以对信干噪比进行放缩，即：
相应的，最佳中继节点选择方法对应的最佳中断概率边界公式为：
最大有用信号中继节点选择方法对应的最大中断概率边界计算公式为：
最小干扰中继节点选择方法对应的最小中断概率边界计算公式为：
由于各个中继节点选择方法对应的中断概率计算公式中存在积分，实际应用中，有时难以借助中断概率计算公式得到相应的中断概率值，这时，在降低计算准确度的情况下，可以借助各个中继节点选择方法对应的中断概率边界公式来计算相应的中断概率值。与借助中断概率计算公式相比，借助中断概率边界公式可以提高得到中断概率值的速率，进而可以提高分析各类参数对目标中继节点的中断概率影响的速率。
请参阅图3和图4，图3为三种中继节点选择方法的中断概率随能量收集时间变化曲线图，图4为三种中继节点选择方法的吞吐量随能量收集时间变化曲线图。图中的os表示最佳中继节点选择方法，mu表示最大有用信号中继节点选择方法，mi表示最小干扰中继节点选择方法。各类参数的设置情况为：
请参阅图5和图6，图5为三种中继节点选择方法的中断概率随snr的变化曲线图，图6为三种中继节点选择方法的吞吐量随snr的变化曲线图。从图5可以看出，中断概率随着snr的增加不断减少，但三种中继节点选择方法对snr的敏感度不同，但每种情况下，最佳中继节点选择方法的中断性能最好，在低snr范围内，最大有用信号中继节点选择方法的中断性能优于最小干扰中继节点选择方法，而在高snr范围内，最小干扰中继节点选择方法的中断性能要优于最大有用信号中继节点选择方法。实际应用中，可以根据snr对中断性能的影响，根据实际的snr值选择合适的中继节点选择方法，以获得最好的中断性能。从图6可以看出，每种中继节点选择方法的吞吐量均随着snr的增大而不断增大。
请参阅图7，图7为三种中继节点选择方法的中断概率随中继节点数目的变化曲线图。从图7中可以看出，随着中继节点数目的增大最佳中继节点选择方法的中断性能不断优化，而最大有用信号中继节点选择方法和最小干扰中继节点选择方法的中断性能会逐渐趋于稳定，进入平台效应。实际应用中，可以根据中断概率随中继节点数目的变化合理安排中继节点的数量，进而应用合适数量的中继节点达到较好的中断性能。
本发明还提供了一种无线中继节点选择系统，其具有本发明实施例提供的一种无线中继节点选择方法具有的对应效果。请参阅图8，图8为本发明实施例提供的一种无线中继节点选择系统的结构示意图。
本发明实施例提供的一种无线中继节点选择系统，可以包括：
信干噪比计算模块101，用于基于信干噪比计算公式计算每一个中继节点的信干噪比；
确定模块102，用于确定信干噪比值最大的中继节点为目标中继节点，以基于目标中继节点进行信号传输；
其中，信干噪比计算公式为：
p为源节点的发射功率，
本发明实施例提供的一种无线中继节点选择系统中，确定模块可以包括：
最佳中继节点确定单元，用于当目标影响因子为
最大有用信号中继节点确定单元，用于当目标影响因子为
最小干扰中继节点确定单元，用于当目标影响因子为
其中，最佳中继节点选择公式为：
最大有用信号中继节点选择公式为：
最小干扰中继节点选择公式为：
本发明实施例提供的一种无线中继节点选择系统中，还可以包括：
第一分析模块，用于基于各个中继节点选择公式对应的中断概率计算公式分析各类参数对目标中继节点的中断概率的影响；
其中，最佳中继节点选择公式对应的最佳中断概率计算公式为：
最大有用信号中继节点选择公式对应的最大中断概率计算公式为：
最小干扰中继节点选择公式对应的最小中断概率计算公式为：
其中，k1(·)为1阶贝塞尔函数，γ0为目标信干噪比，λ为相应信道的参数，n为中继节点的总数量。
本发明实施例提供的一种无线中断节点选择系统中，还可以包括：
第二分析模块，用于基于各个中继节点选择公式对应的中断概率边界公式分析各类参数对目标中继节点的中断概率的影响；
其中，最佳中继节点选择公式对应的最佳中断概率边界公式为：
最大有用信号中继节点选择公式对应的最大中断概率边界公式为：
最小干扰中继节点选择公式对应的最小中断概率边界公式为：
本发明还提供了一种无线中继节点选择设备及计算机介质，其均具有本发明实施例提供的一种无线中继节点选择方法具有的对应效果。请参阅图9，图9为本发明实施例提供的一种无线中继节点选择设备的结构示意图。
本发明实施例提供的一种无线中继节点选择设备，可以包括：
存储器201，用于存储计算机程序；
处理器202，用于执行计算机程序时实现如上任一实施例所描述的一种无线中继节点选择方法的步骤。
本发明实施例提供的一种计算机介质，计算机介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上任一实施例所描述的一种无线中继节点选择方法的步骤。
本发明实施例提供的一种无线中继节点选择系统、设备及计算机介质中相关部分的说明请参见本发明实施例提供的一种无线中继节点选择方法中对应部分的详细说明，在此不再赘述。另外，本发明实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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