基于能量协作的随机中继选择方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及能量协作下中继通信，具体是一种基于能量协作的随机中继选择方法，用于无线传感器网络通信。

背景技术：

目前，在无线通信网络中，中继既能协助源节点传输数据到达目的节点，又能在节省发射功率的同时提高系统容量，因此中继技术成为通信领域的研究热点之一。但由于中继节点的频繁使用，以及无法定期地进行节点电池的更换，导致网络中出现了能量空洞问题，进而影响了传感器网络的寿命，而能量收集技术的出现恰好可以克服这一瓶颈。

最初，能量收集技术考虑从周围环境中收集能量，依靠阳光、风和潮汐等来支持通信设备。1958年，太阳能直接转换为电能成为一项突破性的成就，在此启发下，各种形式的能量与电能的转化被广泛研究，但应用范围仅限于近场。而RF信号的发展为远场能量传输打开了新格局。J.Hu和K.Yang等人整理分析了近些年的能量收集以及能量传输关键技术，详细阐述了从周围环境中收集能量具有不可预测、低效率等特点，并对从RF信号中提取能量的硬件技术进行了评估，提出射频(RF)信号能够实现无线能量传输，同时这些能量逐渐倾向于随时随地充电。此外，无线射频信号可以同时携带能量和信息。由于能量收集技术能够有效的延长传感器网络的寿命，近年来越来越多的研究将能量收集与中继技术结合在一起，2011年Gunduz D和Devillers B研究了三节点通信模型，假设源节点能量受限，中继节点能量采集供电，同时分析不同中继工作模式对系统吞吐量的影响，提出了最优的功率分配方案，此后，将中继节点的电池状态建模为马尔科夫模型的能量中继模型被提出，并配备有存储功能的双态电池，通过无线能量传输使得中继节点电池能够被充电，在译码转发协议下，基于单向两跳中继信道提出了对应于不同状态信道瞬时信息要求和实现复杂性的中继选择策略，并得到了系统的中断概率。而以最小丢包率为优化准则，即源节点与中继节点都可以从周围环境中收集能量，且中继节点在向目的节点发送数据的同时向源节点传输能量。通常情况下，因为中继节点无法准确的获知源节点的位置，所以在一定程度上忽略了能量传输方向的可行性以及传输过程中能量的损耗。

综上，现有技术中中继协作通信的现状中缺少对中继节点能量采集和传输的具体分析，存在盲目传输和能量消耗，导致系统的中断概率偏大。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种获得更小的中断概率的基于能量协作的随机中继选择方法。

本发明是一种基于能量协作的随机中继选择方法，其特征在于，对源节点和中继节点进行能量协作分析，包括有如下步骤：

(1)建立单向中继网络模型：通信传输模型为单向中继网络，包括有一个源节点、一个目的节点和多个采用解码转发方式的中继节点，分别标记为S,D和Ri，其中i∈{1,2,……,n}；在传输数据时，源节点依据概率选择直通链路或者中继链路，中继链路传输时，中继节点接收到的信号ysr和目的节点接收到的信号yrd分别用接收信号公式表示为：

其中，Xs是源节点发送的数据，Xr是中继解码后转发的数据，di是源节点S到中继节点Ri的距离，ci是中继节点Ri到目的节点D的距离，hsr是瑞利衰落下源节点到中继节点通信链路的信道系数，hrd是瑞利衰落下中继节点到目的节点通信链路的信道系数，α是路径损耗因子，Psr和Prd分别为源节点与中继节点的发射功率，nsr和nrd分别表示中继节点和目的节点处的均值为0、方差为1的加性高斯白噪声；

若源节点选择直通链路，则目的节点接收到的信号表示为：

其中，d是S到R的距离，hsd是瑞利衰落下表源节点到目的节点通信链路的信道系数，Psd是源节点发射功率，nsd表示目的节点处的均值为0、方差为1的加性高斯白噪声；

(2)中继节点存在的概率计算：利用泊松点过程在半径为ρ的圆上，生成n个中继节点，在通信过程中，被选择参与通信的中继节点称为候选中继节点，当候选中继节点集合不为空集的概率P{N≥1}表示为：

P{N≥1}＝1-exp(-λπρ²)

其中，λ代表中继节点的密度，ρ为中继网络模型的半径，N是候选中继节点的总个数，n是网络中中继节点的总个数，N≤n；

(3)计算信噪比：计算源节点到中继节点、中继节点到目的节点和源节点到目的节点通信链路的信噪比，分别表示为γsr、γrd和γsd：

其中，σ²是加性高斯白噪声的方差，σ²＝1；

(4)节点的能量收集和传输分析：当源节点储能状态Ls[n]大于其向目的节点发送数据消耗的能量δsd，选择直通链路进行通信，得出源节点相邻时隙的能量关系，进而计算出源节点的电池稳态分布，即源节点的能量公式；

若选择中继链路，源节点向中继节点同时发送数据和能量，中继接收到的能量一部分用于解码消耗，另一部分存储于中继节点；得到相邻时隙源节点与中继节点电池能量关系，进而计算出中继协作下源节点和中继节点的电池稳态分布，用中继节点的能量公式表示；

(5)得到中断概率表达式，用于衡量能量协作下通信性能：由源节点和中继节点能量公式和信噪比公式，令Psd＝δsd,Psr＝δsr,Prd＝δrd，分别计算出直通链路的通路概率P1和中继链路通路的概率P2，得出能量协作下衡量通信性能的中断概率表达式Pout，中断概率表达式Pout用于衡量通信链路的质量。

本发明在传统的中继模型中引入能量协作的思想，通过与原有的随机中继选择方案对比，得到更小的中断概率。

与现有技术相比，本发明的技术优势

建立能量协作的中继模型：因为本发明中的单向中继模型包括有一个源节点、一个目的节点和多个采用解码转发方式的中继节点，分别标记为S,D和Ri，其中i∈{1,2,……,n}，且中继节点服从泊松点过程，所以对比以往模型，本发明的通信模型具有坚实可靠的数学模型，更易实现。

能量传输模型具有可行性：首先设定源节点和中继节点能够从自然环境中收集能量，且中继协作时源节点在向中继节点发送数据的同时发送能量，分析相邻时隙节点的能量状态和节点电池的稳态分布，本发明比以往的中继模型能量传输方向更具有可行性，通信寿命长。

获得更小的中断概率：在中继模型中引入能量协作的分析，同时源节点依据能量状态选择通信链路，给出了源节点和中继节点相邻时隙的能量变化以及电池的稳态分布，所以对比以往模型，参与协作通信的中继节点正常通信的概率更高，通信过程的中断概率更低。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明的中继网络模型图；

图3是本发明的方案与随机中继选择方案的中断概率性能对比仿真曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案和效果作详细描述

实施例1

无线通信技术飞速发展，第五代(5G)蜂窝系统和物联网(IOT)等智能网络即将到来，人们对超高数据传输速率的需求，高密度连接和高流动性，确实会在很大程度上得到满足。所有这些服务都需要用户终端具有实时信号处理的高计算能力，这会加速嵌入式电池的耗尽，而传感器节点定期更换电池往往不太方便，尤其是在偏远和低收入的地区。能量不足成为这些通信系统以及各种智能互联网络发展的瓶颈，本发明针对此现状展开了研究，提出一种基于能量协作的随机中继选择方法，参见图1，本发明对源节点和中继节点进行能量协作分析，在中继模型中引入了能量协作的思想，包括有如下步骤：

(1)建立单向中继网络模型：本发明建立的单向中继网络模型也是能量协作模型，通信传输模型为单向中继网络。

1.1模型设定：参见图2，本发明的模型为单向中继网络，由一个源节点、一个目的节点和多个采用解码转发方式的中继节点组成，分别标记为S,D和Ri，其中i∈{1,2,……,n}。

1.2中继链路的接收信号：在源节点向目的节点传输数据时，源节点依据概率选择直通链路或者中继链路，若选择中继链路，则采用随机中继选择方案。数据传输时分为两个时隙，中继节点接收到的信号，可用接收信号公式分别表示为：

目的节点接收到的信号，可用接收信号公式分别表示为：

其中，Xs是源节点发送的数据，Xr是中继解码后转发的数据，di是S到Ri的距离，ci是Ri到D的距离，hsr是瑞利衰落下源节点到中继节点通信链路的信道系数，hrd是瑞利衰落下中继节点到目的节点通信链路的信道系数，α是路径损耗因子，Psr和Prd分别为源节点与中继节点的发射功率，nsr和nrd分别表示中继节点和目的节点处的均值为0、方差为1的加性高斯白噪声。

1.3直通链路的接收信号：若源节点选择直通链路，则目的节点接收到的信号表示为：

其中，d是S到R的距离，hsd是瑞利衰落下源节点到目的节点通信链路的信道系数，Psd是源节点发射功率，nsd表示目的节点处的均值为0、方差为1的加性高斯白噪声。

(2)中继节点存在的概率计算：利用泊松点过程在半径为ρ的圆上，生成n个中继节点，在通信过程中，能够被选择参与通信的中继节点称为候选中继节点，当候选中继节点集合不为空集的概率P{N≥1}表示为：

P{N≥1}＝1-exp(-λπρ²)

其中，λ代表中继节点的密度，ρ为中继网络模型的半径，N是候选中继节点的总个数，n是网络中中继节点的总个数，N≤n。

本发明建立能量协作的中继模型包括有一个源节点、一个目的节点和多个采用解码转发方式的中继节点，分别标记为S,D和Ri，其中i∈{1,2,……,n}，且中继节点服从泊松点过程，所以对比以往模型具有坚实可靠的数学模型，更易实现。

(3)计算信噪比：根据步骤(1)的直通链路和中继链路下源节点和中继节点接收信号公式可计算源节点到中继节点、中继节点到目的节点和源节点到目的节点通信链路的信噪比，分别表示为γsr、γrd和γsd：

其中，σ²是加性高斯白噪声的方差，σ²＝1。

(4)节点的能量收集和传输分析：与传统技术不同，本发明中，源节点和中继节点配备具有能量存储功能的电池，能够从周围环境中收集能量并进行存储，在第n个时隙时，源节点和中继节点收集到的能量分别表示为Es[n]和Er[n]，其中E[·]为统计平均值，初始阶段，源节点依据自身能量状态选择通信链路，当源节点储能状态Ls[n]大于其向目的节点发送数据消耗的能量δsd，选择直通链路进行通信，得出源节点相邻时隙的能量关系，进而计算出源节点的电池稳态分布，即源节点的能量公式：

若选择中继链路，源节点向中继节点同时发送数据和能量，中继接收到的能量一部分用于解码消耗，另一部分存储于中继节点中；可知中继节点的能量来源为从环境中收集到的能量与源节点发送的能量之和，且二者相互独立，得到相邻时隙源节点与中继节点电池能量关系，进而计算出中继协作下源节点和中继节点的电池稳态分布，即源节点和中继节点的能量公式。

(5)得到中断概率表达式，用于衡量能量协作下通信性能：由步骤(2)中得到的中继节点存在的概率、步骤(3)中得到的相应链路的信噪比公式和步骤(4)中的源节点和中继节点电池的稳态分布，令Psd＝δsd,Psr＝δsr,Prd＝δrd，令直通链路和中继链路相应节点发射功率的值和消耗能量的值相等，分别计算出直通链路的通路概率P1和中继链路通路的概率P2，得出能量协作下衡量通信性能的中断概率表达式Pout，中断概率表达式Pout用于衡量通信链路的质量。

本发明为了解决无线传感器网络中能量空洞和能量受限问题，将能量协作与中继节点结合考虑，给出了能量协作下的随机中继选择方法的整体技术方案。实现本发明的技术方案是：源节点与中继节点都可以从周围环境中收集能量，并且源节点可以向中继节点进行无线能量传输，即源节点向中继节点发送数据的同时传输能量，源节点传输的能量一部分被中继节点用于解码，一部分存储于中继节点中。此外，通信过程依据源节点能量状态选择直通链路或者中继链路，中继协作时采用随机中继选择方法来完成中继节点的选择，再结合电池稳态分布条件和信噪比公式，推导出基于能量协作的随机中继选择方法的中断概率表达式，得到更低的中断概率，为无线中继通信提供更好的解决方案。

实施例2

基于能量协作的随机中继选择方法同实施例1，其中步骤(4)中所述的节点的能量收集和传输分析，具体包括如下步骤：

4.1源节点能量分析：源节点依据自身能量状态选择通信链路，当源节点储能状态大于其向目的节点发送数据消耗的能量时，选择直通链路进行通信，源节点相邻时隙的能量关系表示为：

Ls[n+1]＝Ls[n]+Es[n]-δsd

其中，Ls[n]是第n个时隙源节点电池的储能状态，Ls[n+1]是第n+1个时隙源节点电池的储能状态，Es[n]是源节点从环境中收集到的能量，δsd是源节点向目的节点发送数据所消耗的能量。因此可得到源节点的电池稳态分布：

4.2中继节点的能量分析：若选择中继链路，采用随机中继选择方法，即源节点在中继节点电池瞬时状态和位置信息未知的条件下，随机选择第i个中继节点来协助信息的传递，此方法适用于低复杂度，严格功率或者带宽限制的网络。但在本发明中源节点同时向中继节点同时发送数据和能量，中继接收到的能量一部分用于解码消耗，另一部分存储于中继节点中。此时，相邻时隙源节点与中继节点电池能量表示为：

Ls[n+1]＝Ls[n]+Es[n]-δsr

Lr[n+1]＝Lr[n]+Er[n]+βδsr-δrd

其中，Lr[n]是第n个时隙源节点电池的储能状态，Lr[n+1]是第n+1时隙源节点电池的储能状态，Er[n]是源节点从环境中收集到的能量，δsr是源节点向中继节点发送数据消耗的能量，βδsr的能量被存储于中继节点，(1-β)δsr的能量被中继用于解码消耗，其中0≤β≤1，δrd是中继节点向目的节点发送数据消耗的能量。同理可得到中继协作下源节点和中继节点的电池稳态分布：

本发明中，首先设定源节点和中继节点能够从自然环境中收集能量，且中继协作时源节点在向中继节点发送数据的同时发送能量，分析相邻时隙节点的能量状态和节点电池的稳态分布，本发明比以往的中继模型能量传输方向更具有可行性，通信寿命更长。

实施例3

基于能量协作的随机中继选择方法同实施例1-2，本发明步骤(5)中所述的计算直通链路的通路概率P1，具体如下：

一个通信系统性能是由相应的指标来进行衡量的，对于无线中继网络来说，中断概率成为衡量其的主要指标。当链路容量C不满足所要求的用户速率r0时，中断事件就会发生，所以能否发生中断也取决于链路的平均信噪比及其信道衰落分布模型，由定义中断概率表示为：

Pout＝P{C＜r0}＝P{γ＜ε}

其中，γ表示信噪比，ε为信噪比门限，r0为通信过程中的信息传输速率，由香农定理可知令Psd＝δsd,Psr＝δsr,Prd＝δrd，结合电池稳态分布得到直通链路的通路概率P1：

本发明不仅给出了基于能量协作的随机中继选择方法的中断概率表达式Pout，而且在计算过程中还给出了直通链路的通路概率P1的计算公式，公式P1准确描述了源节点的能量状态对通信的影响。

实施例4

基于能量协作的随机中继选择方法同实施例1-3，本发明步骤(5)中所述的计算中继链路的通路概率P2，源节点的能量值不满足直传条件而满足中继传输的条件，同时中继节点的电池状态符合传输状态，令Psd＝δsd,Psr＝δsr,Prd＝δrd，具体公式如下：

本发明不仅给出了基于能量协作的随机中继选择方法的中断概率表达式Pout，在计算过程中还给出了中继链路的通路概率P2的计算公式，公式P2准确描述了源节点和中继节点的能量状态和信噪比对通信的影响。

实施例5

根据权利要求1所述的基于能量协作的随机中继选择方法同实施例1-4，本发明步骤(5)中所述的能量协作下衡量通信性能的中断概率表达式Pout，只有当直通链路和中继链路同时中断时，中断事件才会发生，计算出Pout。

因为本发明对源节点和中继节点进行能量协作，对比现有技术的以往中继模型，本发明参与协作通信的中继节点正常通信的概率更高，通信过程的中断概率更低。

下面给出一个更详细的例子，对本发明进一步说明：

实施例6

基于能量协作的随机中继选择方法同实施例1-5，

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，将通信系统的中继模型设定为单向中继模型，参照图2，中继节点的分布服从泊松点过程。

步骤2，假设信道衰落为瑞利衰落，设定模型节点间距离以及信道参数，计算接收到的信号以及信噪比。

2.1)设定模型节点间距离以及信道参数如下：

di是S到Ri的距离，ci是Ri到D的距离，d是S到R的距离，hsd是源节点到目的节点通信链路的信道系数，hsr是源节点到中继节点通信链路的信道系数，hrd是中继节点到目的节点通信链路的信道系数，α是路径损耗因子。

2.2)根据步骤2.1)设定的参数，计算中继协作下中继节点接收到的信号ysr和目的节点接收到的信号yrd，以及直通链路下目的节点接收到的信号ysd。

其中，Xs是源节点发送的数据，Xr是中继解码后转发的数据，Psr和Prd分别为中继协作下源节点与中继节点的发射功率，nsr和nrd分别表示中继节点和目的节点处的均值为0、方差为1的加性高斯白噪声。Psd是为直传链路的下源节点发射功率，nsd表示目的节点处均值为0、方差为1的加性高斯白噪声。

由式<1>可计算出源节点到中继节点、中继节点到目的节点和源节点到目的节点通信链路的信噪比，分别表示为γsr、γrd和γsd：

源节点到中继节点通信链路的信噪比：

中继节点到目的节点通信链路的信噪比：

源节点到目的节点通信链路的信噪比：

其中，σ²是加性高斯白噪声的方差，在本发明中σ²＝1

步骤3，计算源节点和中继节点电池的稳态分布

本步骤的具体实施如下：

(3a)当源节点满足Ls[n]≥δsd选择直接传输，此时的源节点电池相邻时隙能量情况和稳态分布表示为：

其中，Ls[n]表示第n个时隙源节点电池的储能状态，Ls[n+1]表示第n+1个时隙源节点电池的储能状态，Es[n]表示源节点从环境中收集到的能量，δsd表示源节点向目的节点发送数据消耗的能量。

(3b)当中继协作时，计算源节点相邻时隙的能量变化和稳态分布：

其中，δsr表示中继协作时源节点每发送一个数据包消耗的能量。

(3c)由步骤(3b)知源节点发送数据包携带的能量为δsr，本发明设定中继节点解码消耗的能量为(1-β)δsr，剩余的能量则存储于中继节点，通过下式可以分别计算中继节点相邻时隙的能量变化和稳态分布：

其中，δrd表示中继节点每发送一个数据包消耗的能量。

步骤4，在本发明中继系统中，令Psd＝δsd,Psr＝δsr,Prd＝δrd，分别计算直通链路的通路概率和中继链路的通路概率。

具体包括如下步骤：

(4a)计算直通链路的通路概率：

当链路容量C不满足所要求的用户速率r0时，中断事件就会发生，根据定义中断概率可表示为：

Pout＝P{C＜r0}＝P{γ＜ε}； <8>

其中，γ表示信噪比，ε为信噪比门限，r0为通信过程中的信息传输速率，由香农定理可知

结合式<4>、式<5>和式<8>，得到直通链路的通路概率P1：

(4b)计算中继链路的的通路概率：

本发明利用泊松点过程在半径为ρ的圆上，生成n个中继节点，在通信过程中，能够被选择参与通信的中继节点称为候选中继节点，当候选中继节点集合不为空集的概率P{N≥1}表示为：

P{N≥1}＝1-exp(-λπρ²) <10>

其中，λ代表中继节点的密度，ρ为中继网络模型的半径，N是候选中继节点的总个数，n是网络中中继节点的总个数，N≤n。

同理，考虑中继链路的信噪比式<2>和式<3>，结合式<6>、式<7>和式<10>可得到中继链路的通路概率P2：

中继链路的通路概率是由信噪比和中继链路电池稳态分布结合得出。

(4c)由以上分析可知，只有当直通链路和中继链路同时中断时，中断事件才会发生，根据步骤(4a)和步骤(4b)的结果，可计算出Pout：

本发明提出的基于能量协作的随机中继选择方法，在无线中继系统中，源节点与中继节点都具有能量采集功能，且源节点向中继节点同时发送能量和数据。基于随机中继选择方案，引入了源节点依据概率选择直通链路或中继链路的思想，最后，得出中断概率表达式。

本发明的效果可以通过下面的仿真实例说明：

实施例7

基于能量协作的随机中继选择方法同实施例1-6，

仿真条件：

通信信道衰落服从于瑞利分布，信息的传输速率为r0＝0.01BPCU，泊松半径ρ＝1m，源节点与目的节点之间的距离设定为d＝8m，0≤δsd≤10,δsr≤δsd,δrd≤δsd，源节点和中继节点从周围环境中收集到的能量为Es[n]＝Er[n]＝0.479。

仿真平台：MATLAB；

仿真数据：对本发明中的方法推导出的中断概率表达式使用遍历法进行仿真。

仿真内容与结果：

仿真1，用本发明方法与原有的随机中继选择方案进行对比，在确保参数相同的情况下，得到中断概率这一系统性能的对比图，结果如图3。

图3中，横坐标表示源节点的发射功率，纵坐标表示中断概率，点画线代表已有技术的随机中继选择方案，虚线代表本发明的基于能量协作的随机中继选择方法。

仿真结论：

从图3中可以看出：在源节点发射功率的取值范围为0到10时，原有的随机中继选择方案和本发明方法的中断概率均是随着横坐标的增加而下降，但对比原有的随机中继选择方案，本发明方法下降的更快，且与原有的随机方案中断概率始终保持相差很大，在横坐标为4时，趋于稳定达到中断概率小于10^-1，仿真证明本发明的中断概率更低，中断性能更好。

仿真结果验证，本发明提出的模型能够获得更低的中断概率，性能更佳。

综上，本发明公开的一种基于能量协作的随机中继选择方法，主要解决无线中继网络中因能量受限而导致的中断性能差的问题。其实现方案是：首先设定传输数据的通信模型；根据中继节点的位置分布情况和源节点的电池状态进行通信链路的选择，计算中继节点和目的节点接收到的信号和通信链路的信噪比；根据设定源节点和中继节点同时配有存储功能的电池，且能够从环境中收集能量，因此可计算出电池稳态分布和传输链路的能量消耗情况；根据信噪比和电池稳态分布，可推导出衡量系统性能的中断概率表达式；由仿真结果可知，与原有的随机选择方案比较，本发明在传统的中继模型中引入能量协作，对源节点和中继节点进行能量协作分析，利用电池稳态分布，得到中继模型的中断概率。本发明可获得更小的中断概率，性能更佳，用于无线中继网络携能通信。