面向时间划分无线携能传输中继的物联网低功耗传输方法与流程

本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种面向时间划分无线携能传输中继的物联网低功耗传输方法。

背景技术：

半导体技术、微系统技术、现代网络和近距无线通信技术的飞速进步，推动了物联网(internetofthings，iot)的产生和发展。然而，受制于物联网节点的资源与能量受限特性以及物联网系统的多跳传输特性，如何最大程度地延长网络寿命成为物联网应用走向实际必须解决的关键性问题。无线携能通信(simultaneouswirelessinformationandpowertransfer，swipt)作为是一种新型的无线通信方式，可以将数据和能量同时进行传输，从而有效降低传统无线通信的能量消耗，并为提高物联网系统的性能提供了可能。

基于时间划分的无线携能通信是swipt的典型实现方式之一，这种通信方式一般将数据传输周期分成能量传输，数据接收与数据转发三个时间段，其中能量传输用于接收来自源节点的充电电能，数据接收用于接收来自源节点的数据，数据转发基于接收的能量完成接收数据的转发。

基于中继节点的协作通信已经成为物联网中性能提升的典型方法，与传统通信方式相比，中继通信可显著降低网络的通信距离，从而延长网络的生存时间。然而，由于在引入中继节点后，中继节点需要同时进行数据的接收与转发，导致中继节点具有比传统节点更大的能耗，进而使得网络的性能严重受制于中继承载能量，并成为网络性能的瓶颈。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种面向时间划分无线携能传输中继的物联网低功耗传输方法，有效提升物联网传输的性能。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：面向时间划分无线携能传输中继的物联网低功耗传输方法，包括构建物联网中基于时间划分携能传输中继的最优数据传输模型和采用基于时间划分中继的参数优化方法对构建的最优数据传输模型中参数进行优化两部分；

所述构建物联网中基于时间划分携能传输中继的最优数据传输模型的具体方法为：

在传统物联网系统中部署若干中继节点；当部署完中继节点以后，物联网节点将选择唯一的中继节点，并由中继节点完成数据的转发；所述中继节点为物联网系统中的物联网节点服务并与唯一的汇聚节点相连接；将中继点的集合表示为r＝{1，2…，r}，r为在物联网系统中部署的中继点总个数；物联网节点集合为s＝{1，2，…，s}，s为物联网系统中物联网节点的总个数；物联网系统中唯一的一个汇聚节点为s0，且s∈s和s0之间的直接通信需要中继点r∈r来支持；为了减少物联网节点的通信距离，选择距离物联网节点最近的中继节点作为其转发中继，且定义中继点r服务的物联网节点集合表示为ur；设定每个物联网节点只能由一个中继点服务，一个中继点服务多个物联网节点，使得且对每个中继点，设定其传输时间块归一化为t＝1；传输时间块的一部分αt用于能量收集，其中α为时间分配因子，且0≤α≤1；剩余部分时间用于数据传输，其中，第一个剩余时间块ρt用于中继内覆盖节点的数据传输，其中，ρ也为时间分配因子，0≤ρ≤1；第二个剩余时间块(1-α-ρ)t基于αt时间内收集的能量完成数据的转发；同时，为了避免传输的干扰，设定中继点内部及中继点之间采用不同的传输信道，且同一中继覆盖范围内物联网节点采用时隙复用的方式进行通信，每个物联网节点上行数据传输给中继点的时间为其中|ur|为中继点r覆盖物联网节点的数量；

所述采用基于时间划分中继的参数优化方法对构建的最优数据传输模型中参数进行优化的具体方法为：

step1.输入预设的能量收集时间αt＝σt，中继节点数据传输时间ρt＝σt，σ为时间分配因子预设的初始最小值，以及每个物联网节点的最低传输速率需求rm，设置各物联网节点ur的初始最低传输功率为物联网节点ur的最大传输功率；

step2.基于能量收集时间αt，求出中继点r服务的物联网节点ur∈ur的最优通信功率具体方法为：

step2.1.计算物联网节点ur的上行传输速率值，如下公式所示：

其中，为物联网节点ur的上行传输速率值，w为单位信道的带宽，为物联网节点ur与中继点r之间的传输衰落参数，n0为噪声功率；

step2.2.根据物联网节点的最低传输速率需求rm构建中继节点r的转发速率约束，即传输到中继点的数据量不少于原始传递到汇聚节点的数据量，如下公式所示：

step2.3.根据中继节点r的转发速率约束，求解物联网节点ur的最优传输功率如下公式所示：

step3.根据及α和ρ求解中继点的转发速率γr，具体方法为：

step3.1.求解中继点r的存储能量er，如下公式所示：

其中，λ为中继点的能量存储效率；

step3.2.求解中继点r的发射功率pr，如下公式所示：

step3.3计算中继点r的转发速率γr，如下公式所示：

其中，hr，s为中继点r到汇聚节点之间的传输衰落参数；

step4.判断中继点r的转发速率γr是否满足如下速率约束，即中继点转发的数据量要大于所有物联网节点产生的数据量，如下公式所示：

如果满足速率约束，再判断是否满足如是则设置物联网节点ur的最低功率时间分配因子的最优值αoptimal＝α，ρoptimal＝ρ，然后执行步骤step5，否则直接执行步骤step5；

如果不满足速率约束，则直接执行步骤step5；

step5.更新α＝α+σ，并判断α是否大于1-ρ，如果是，则执行步骤step6，否则重新执行步骤step2；

step6.更新ρ＝ρ+σ，并判断ρ是否大于1，如是则完成最优数据传输模型中参数优化，否则重新执行步骤step2。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的面向时间划分无线携能传输中继的物联网低功耗传输方法，中继节点不需要携带能量，其主要基于获取的能量完成数据的转发，有效避免了能量受限的约束，从而最终能最大程度获得网络性能的提升，在降低物联网节点能耗的基础上有效弥补了传统中继通信的缺点；本发明方法可直接作用于传统物联网的网络修复中，当传统物联网面临物联网节点与汇聚节点无法通信时，采用本发明方法的中继部署后，可直接完成数据的互联互通。

附图说明

图1为本发明实施例提供的通过时间划分中继数据传输的示意图；

图2为本发明实施例提供的基于时间划分携能传输中继的最优数据传输模型；

图3为本发明实施例提供的采用基于时间划分中继的参数优化方法对构建的最优数据传输模型中参数进行优化的流程图；

图4为本发明实施例提供的不同最低传输速率需求下中继传输总功率随时间分配因子值的变化曲线；

图5为本发明实施例提供的采用本发明的最优数据传输模型与传统的直接传输模型中不同传输速率下传输总功率随的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例中，面向时间划分无线携能传输中继的物联网低功耗传输方法，包括构建物联网中基于时间划分携能传输中继的最优数据传输模型和采用基于时间划分中继的参数优化方法对构建的最优数据传输模型中参数进行优化两部分；

所述构建物联网中基于时间划分携能传输中继的最优数据传输模型的具体方法为：

在传统物联网系统中部署若干中继节点；当部署完中继节点以后，物联网节点将选择唯一的中继节点，并由中继节点完成数据的转发；所述中继节点为物联网系统中的物联网节点服务并与唯一的汇聚节点相连接；将中继点的集合表示为r＝{1，2…，r}，r为在物联网系统中部署的中继点总个数；物联网节点集合为s＝{1，2，…，s}，s为物联网系统中物联网节点的总个数；物联网系统中唯一的一个汇聚节点为s0，且s∈s和s0之间的直接通信需要中继点r∈r来支持；为了减少物联网节点的通信距离，选择距离其最近的中继节点作为其转发中继，且定义中继点r服务的物联网节点集合表示为ur；设定每个物联网节点只能由一个中继点服务，使得且对每个中继点而言，设定其传输时间块归一化为t＝1，如图1所示，传输时间块的一部分αt用于能量收集，其中α为时间分配因子，且0≤α≤1；剩余部分时间用于数据传输，其中，第一个剩余时间块ρt用于中继内覆盖节点的数据传输，其中，ρ也为时间分配因子，0≤ρ≤1；第二个剩余时间块(1-α-ρ)t基于αt时间内收集的能量完成数据的转发；同时，为了避免传输的干扰，设定中继点内部及中继点之间采用不同的传输信道，且同一中继覆盖范围内物联网节点采用时隙复用的方式进行通信，每个物联网节点上行数据传输给中继点的时间为其中|ur|为中继点r覆盖物联网节点的数量；

本实施例中，构建的最优数据传输模型如图2所示，图中，五角星为物联网系统的汇聚节点节点，方形节点为中继节点，圆形节点为物联网节点。数据从物联网节点经中继节点，两跳传输到宏基站。物联网节点与中继节点间的距离为l1，中继节点与宏基站的距离为l2。在此假设所有物联网节点与中继节点之间的距离都相同，同时中继节点与宏基站间的距离也都相同。此外，两个节点间的路径损耗为|l|^-dd，其中l为节点间距离，dd为路径损耗指数，子载波带宽w设置为20。

所述采用基于时间划分中继的参数优化方法对构建的最优数据传输模型中参数进行优化，如图3所示，包括以下步骤：

step1.输入预设的能量收集时间αt＝σt，中继节点数据传输时间ρt＝σt，σ为时间分配因子预设的初始最小值，本实施例中，σ＝0.05，以及每个物联网节点的最低传输速率需求rm，设置各物联网节点ur的初始最低传输功率为物联网节点ur的最大传输功率；

step2.基于能量收集时间αt，求出中继点r服务的物联网节点ur∈ur的最优通信功率具体方法为：

step2.1.计算物联网节点ur的上行传输速率值，如下公式所示：

其中，为物联网节点ur的上行传输速率值，w为单位信道的带宽，为物联网节点ur与中继点r之间的传输衰落参数，n0为噪声功率；

step2.2.根据物联网节点的最低传输速率需求rm构建中继节点r的转发速率约束，即传输到中继点的数剧量不少于原始传递到汇聚节点的数据量，如下公式所示：

step2.3.根据中继节点r的转发速率约束，求解物联网节点ur的最优传输功率如下公式所示：

step3.根据及α和ρ求解中继点的转发速率γr，具体方法为：

step3.1.求解中继点r的存储能量er，如下公式所示：

其中，λ为中继点的能量存储效率；

step3.2.求解中继点r的发射功率pr，如下公式所示：

step3.3计算中继点r的转发速率γr，如下公式所示：

其中，hr，s为中继点r到汇聚节点之间的传输衰落参数；

step4.判断中继点r的转发速率γr是否满足如下速率约束，即中继点转发的数据量要大于所有物联网节点产生的数据量，如下公式所示：

如果满足速率约束，再判断是否满足如是则设置物联网节点ur的最低功率时间分配因子的最优值αoptimal＝α，ρoptimal＝ρ，然后执行步骤step5，否则直接执行步骤step5；

如果不满足速率约束，则直接执行步骤step5；

step5.更新α＝α+σ，并判断α是否大于1-ρ，如果是，则执行步骤step6，否则重新执行步骤step2；

step6.更新ρ＝ρ+σ，并判断ρ是否大于1，如是则完成最优数据传输模型中参数优化，否则重新执行步骤step2。

本实施例中，不同最低传输速率需求下中继传输总功率随时间分配因子α值的变化曲线如图4所示。此时噪声功率n0设置为10^-3，距离l＝2，子载波数量为3，并基于子载波数量将网络分成3个簇，路径损耗指数dd设置为2.2，λ值设为0.9。从图中可以看出，无论最低传输速率需求rm的大小，时间分配因子α在0.55至0.6之间时，物联网系统功耗可以达到最低值。

本实施例中，还给出了物联网节点间距l＝2时，采用本发明的最优数据传输模型与传统的直接传输模型中不同传输速率下传输总功率随的对比图，如图5所示。此时，假设环境噪声n0设置为10^-3，路径损耗指数dd设置为2.2。从图中可以看出，本发明的基于携能的中继传输比传统的直接传输更节能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。