一种户外无线能量收集驱动网络性能评估方法及系统与流程

[0001]
本发明涉及网络优化设计领域，具体涉及一种户外无线能量收集驱动网络性能评估方法及系统。


背景技术：

[0002]
中继技术可以扩大网络覆盖范围，有效提高系统容量和用户服务质量。无线射频能量收集技术能够为网络中能量受限的节点提供稳定的能量，且管理方便，可以解决无线设备电池资源有限、极端环境下不易更换、人工维护成本高的问题，因此基于无线能量收集的中继网络被广泛研究。
[0003]
由于无线能量收集网络可广泛应用于户外物联网中(如铁路物联网、矿山物联网、环境监测物联网等)，而视野空旷的户外物联网主要处于以直射路径为主的环境中，通常户外场景下的无线衰落信道建模为莱斯衰落信道，而且在实际的无线能量传输中，能量主要来自于直射分量，所以视距传输不可忽视，考虑到这一点莱斯衰落信道模型在无线能量收集网络中更具有实用性。
[0004]
然而，目前已公开的研究工作要么针对瑞利衰落信道、要么针对nakagami-m衰落信道。nakagami-m虽然可以近似地描述莱斯衰落，但是无法对于直射分量对能量站辅助的能量收集中继网络性能的影响进行精确分析。


技术实现要素：

[0005]
针对户外物联网主要处于以直射路径为主的环境中，在实际的无线能量传输中，能量主要来自于直射分量，应用莱斯衰落信道模型进行分析的问题，本发明提供了一种户外无线能量收集驱动网络性能评估方法，包括：
[0006]
基于节点与无线射频能量站之间的传输链路相关参数计算信息传输各阶段的能量和信噪比的大小；
[0007]
基于预先确定的莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率及吞吐量的计算式，结合所述信息传输各阶段的能量、信噪比的大小，计算网络中断概率和吞吐量；
[0008]
基于所述网络中断概率和吞吐量对户外无线能量收集驱动网络进行性能评估。
[0009]
优选的，所述计算信息传输各阶段的能量和信噪比的大小，包括：
[0010]
基于源节点、目的节点分别与无线射频能量站之间传输链路的信道系数、距离计算能量收集阶段源节点从无线射频能量站采集的能量以及中继节点从无线射频能量站采集的能量；
[0011]
在传输信息阶段基于源节点、目的节点分别与所述无线射频能量站之间传输链路的信道系数、距离依次计算中继节点从源节点接收信号的解码信噪比和目的节点从中继节点接收信号的解码信噪比；
[0012]
其中，信息传输阶段包括：能量收集阶段和传输信息阶段。
[0013]
优选的，所述源节点从无线射频能量站采集的能量的计算式如下：
[0014][0015]
其中，e
s
为源节点从无线射频能量站采集到的能量，t为完成源节点到目的节点的端到端信息传输任务的时间，α为时间分割因子，h
ps
表示无线射频能量站到源节点之间链路的信道系数，d
ps
表示无线射频能量站到源节点之间的距离，η为能量转化效率，p
b
为无线射频能量站的配置发射功率，m表示路径损耗系数；
[0016]
所述中继节点从无线射频能量站采集到的能量的计算式如下：
[0017][0018]
其中，e
r
为中继节点从无线射频能量站采集到的能量，h
pr
表示无线射频能量站到中继节点之间链路的信道系数，d
pr
表示无线射频能量站到中继节点之间的距离。
[0019]
优选的，所述中继节点从源节点接收信号的解码信噪比的计算式如下：
[0020][0021][0022][0023][0024]
其中，p
s
为源节点用于传输信息的发射功率，y
r
为中继节点接收到来自源节点的信号，γ
r
为中继节点的解码信噪比，h
sr
表示源节点到中继节点之间链路的信道系数，d
sr
表示源节点到中继节点之间的距离，x
s
表示源节点的发射信号，n
r
表示中继节点处的高斯白噪声，n0为高斯白噪声的方差，为无线射频能量站到中继节点之间链路的信道系数的平方，为源节点到中继节点之间链路的信道系数的平方，γ0为无线射频能量站的配置发射功率与噪声功率的比值。
[0025]
优选的，所述目的节点从中继节点接收信号的解码信噪比的计算式如下：
[0026][0027]
[0028][0029][0030]
其中，p
r
为中继节点用于信息传输的发射功率，y
d
为目的节点接收到来自中继节点的信号，γ
d
为目的节点的接收信噪比，h
rd
表示中继节点到目的节点之间链路的信道系数，d
rd
表示中继节点到目的节点之间的距离，x
r
表示源节点的发射信号，n
d
表示目的节点处的高斯白噪声，为无线射频能量站到中继节点之间链路的信道系数的平方，为中继节点到目的节点之间链路的信道系数的平方。
[0031]
优选的，所述基于预先确定的莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率及吞吐量的计算式，结合所述信息传输各阶段的能量、信噪比的大小，计算网络中断概率和吞吐量包括：
[0032]
基于莱斯链路模型计算莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率；
[0033]
基于所述莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率计算吞吐量。
[0034]
优选的，所述莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率的计算式如下：
[0035][0036][0037]
其中，y
ij
表示信道i的信道系数的平方与信道j的信道系数的平方的乘积；表示y
ij
的累计概率函数；p
out
为网络的中断概率；k
ν
(
·
)表示第二类ν阶修正贝塞尔函数；k1、k2、k3、k4分别表示无线射频能量站到源节点、无线射频能量站到中继节点、源节点到中继节点、中继节点到目的节点每条链路对应的莱斯因子；λ
i
表示随机变量的均值；k、q、l、p、n、t为计算过程中的标号；n取正整数；γ
th
为半双工中继系统的信噪比阈值，r
th
为系统所需传输速率，a
i
表示b
i
表示
[0038]
优选的，所述吞吐量的计算式如下：
[0039][0040]
其中，th表示网络的吞吐量。
[0041]
优选的，所述基于所述网络中断概率和吞吐量对户外无线能量收集驱动网络进行性能评估，包括：
[0042]
当用户要求的传输速率门限值确定时，基于中断概率、吞吐量对网络可靠性和数据传输量进行评估；
[0043]
基于网络可靠性和网络的数据传输量对户外无线能量收集驱动网络的性能进行评估。
[0044]
基于同一发明构思本发明还提供了一种户外无线能量收集网络性能评估系统，其特征在于，包括：基础数据计算模块、性能数据计算模块和性能评估模块；
[0045]
所述基础数据计算模块，用于基于节点与无线射频能量站之间的传输链路相关参数计算信息传输各阶段的能量和信噪比的大小；
[0046]
所述性能数据计算模块，用于基于预先确定的莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率及吞吐量的计算式，结合所述信息传输各阶段的能量、信号值的大小，计算网络中断概率和吞吐量；
[0047]
所述性能评估模块，用于基于所述网络中断概率和吞吐量对户外无线能量收集驱动网络进行性能评估。
[0048]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0049]
1、本发明提供的一种户外无线能量收集网络性能评估方法及系统包括：基于节点与无线射频能量站之间的传输链路相关参数计算信息传输各阶段的能量和信噪比的大小；基于预先确定的莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率及吞吐量的计算式，结合所述信息传输各阶段的能量、信噪比的大小，计算网络中断概率和吞吐量；基于所述网络中断概率和吞吐量对户外无线能量收集驱动网络进行性能评估；本发明提供了能够适应户外物联网形势发展要求的，能够克服物联网节点能量有限缺点的，莱斯衰落信道条件下的网络性能评估计算方法，更加精确地分析户外无线能量收集网络的性能；
[0050]
2、本发明提供的一种户外无线能量收集网络性能评估方法及系统还可以对以下网络性能进行分析：能量站发射功率、莱斯衰落信道下莱斯因子、无线能量收集模式下时间分割因子、系统所需传输速率以及能量站与源节点和中继节点相对位置与网络中断概率和吞吐量的关系，可用于网络设计理论分析和数值实验，对网络设计具有重要的意义。
附图说明
[0051]
图1为本发明的一种户外无线能量收集驱动网络性能评估方法的流程图；
[0052]
图2为本发明的户外无线能量收集网络模型示意图；
[0053]
图3为户外无线能量收集网络模型的能量收集和信息传输过程示意图；
[0054]
图4为能量站发射功率和莱斯因子与系统中断概率和吞吐量的关系图；
[0055]
图5为时间分割因子与系统中断概率和吞吐量的关系图；
[0056]
图6为系统所需速率与系统中断概率和吞吐量的关系图。
具体实施方式
[0057]
实施例1：
[0058]
本发明公开了一种户外无线能量收集网络性能评估方法，结合图1的示意图进行介绍，具体包括：
[0059]
步骤1：基于节点与无线射频能量站之间的传输链路相关参数计算信息传输各阶段的能量和信噪比的大小；
[0060]
步骤2：基于预先确定的莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率及吞吐量的计算式，结合所述信息传输各阶段的能量、信号值的大小，计算网络中断概率和吞吐量；
[0061]
步骤3：基于所述网络中断概率和吞吐量对户外无线能量收集驱动网络进行性能评估。
[0062]
其中，步骤1：基于节点与无线射频能量站之间的传输链路相关参数计算信息传输各阶段的能量和信噪比的大小，具体包括：
[0063]
1.户外无线能量收集网络的构建，如图2所示，具体包括：
[0064]
(1)一个部署在汽车/列车/无人机上的无线射频能量站pb、一个源节点s、一个中继节点r和一个目的节点d；
[0065]
其中，s和r均为能量受限节点(本身没有能源)，需从pb处采集能量后再进行信息传输，pb采用无线电信号广播的方式为s和r进行充电，s与d之间没有直连链路，s需在r的帮助下完成向d的信息传送，r采用解码转发的中继方式，pb、s、r和d均为单天线设备，都以半双工的方式工作；
[0066]
(2)在第一阶段的αt内，pb给s和r传输能量，在第二阶段的(1-α)t/2内，s向r发送信息，在第三阶段的(1-α)t/2内，r转发信息给d；
[0067]
其中，t为完成s到d的端到端信息传输任务的时间，α(0≤α≤1)为时间分割因子，即能量收集所占的时间比例，因为信息传输中r采用半双工模式，所以第二和第三阶段均为(1-α)t/2，具体如图3所示。
[0068]
2.计算s和r从pb采集到的能量，具体包括：
[0069]
s从pb采集到的能量记为e
s
，具体计算方法如下：
[0070][0071]
r从pb采集到的能量记为e
r
，具体计算方法如下：
[0072]
[0073]
其中，h
ps
和h
pr
分别表示pb到s、pb到r之间链路的信道系数，服从莱斯分布特征，d
ps
和d
pr
分别表示pb到s、pb到r之间的距离，η为能量转化效率(0≤η≤1)，p
b
为pb的配置发射功率，m表示路径损耗系数；
[0074]
3.计算r从s接收到的信号和d从r接收到的信号的接收信噪比，具体包括：
[0075]
①
r从s接收到的信号的接收信噪比；
[0076]
s用于信息传输的发射功率记为p
s
，具体计算方法如下：
[0077][0078]
r接收到来自s的信号记为y
r
，具体计算方法如下：
[0079][0080]
其中，h
sr
表示s到r之间链路的信道系数，服从莱斯分布特征，d
sr
表示s到r之间的距离，x
s
表示s的发射信号，满足e[|x
s
|2]＝p
s
，n
r
表示r处的高斯白噪声，其均值为0，方差为n0；
[0081]
r的接收信噪比记为γ
r
，具体计算方法如下：
[0082][0083]
其中，
[0084]
γ0为pb的发送信噪比；
[0085]
为pb到s之间链路的信道系数平方值；
[0086]
为s到r之间链路的信道系数平方值。
[0087]
②
d从r接收到的信号的接收信噪比；
[0088]
r用于信息传输的发射功率记为p
r
，具体计算方法如下：
[0089][0090]
d接收到来自r的信号记为y
d
，具体计算方法如下：
[0091][0092]
其中，h
rd
表示r到d之间链路的信道系数，服从莱斯分布特征，d
rd
表示r到d之间的距离，x
r
表示s的发射信号，满足e[|x
r
|2]＝p
r
，n
d
表示r处的高斯白噪声，其均值为0，方差为n0；
[0093]
d的接收信噪比记为γ
d
，具体计算方法如下：
[0094][0095]
其中，
[0096]
步骤2：基于预先确定的莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率及吞吐量的计算式，结合所述信息传输各阶段的能量、信号值的大小，计算网络中断概率和吞吐量，具体包括：
[0097]
1.令依据莱斯链路模型，计算y
ij
的累计概率函数(cdf)，具体计算方法如下：
[0098][0099]
其中，y
ij
表示信道i的信道系数的平方与信道j的信道系数的平方的乘积，i、j为编号；k
ν
(
·
)表示第二类ν阶修正贝塞尔函数；k
i
(i＝1,2,3,4)分别是pb到s、pb到r、s到r和r到d每条链路对应的莱斯因子，用于刻画直射分量与散射分量的比值；λ
i
(i＝1,2,3,4)是随机变量的均值；k、q、l为计算过程中的标号，仅用于计数，公式中已设定其取值范围，如q＝0,1,2,
…
,l，l＝0,1,2,
…
,n，k＝0,1,2,
…
,n；n取正整数，理论值为无穷大，大小决定公式的计算精度，取值越大计算结果越精确；为简化表达式，定义关于信道i的两个参数a
i
和b
i
，其值可通过和分别计算求得。
[0100]
2.依据莱斯链路模型，计算网络的中断概率p
out
，具体计算方法如下：
[0101][0102]
其中，设系统所需传输速率为r
th
，则对应的半双工中继系统的信噪比阈值为
p，n，t为计算过程中的标号，仅用于计数，公式中已设定其取值范围，如n＝0,1,2,
…
,p，p＝0,1,2,
…
,n，t＝0,1,2,
…
,n；n越大越好，根据发明人的实验，实际应用中n取50以上便可获得高计算精度。
[0103]
3.基于所述网络的中断概率，计算网络的吞吐量，具体包括：
[0104]
网络的吞吐量th，具体计算方法如下：
[0105][0106]
步骤3：基于所述网络中断概率和吞吐量对户外无线能量收集驱动网络进行性能评估，具体包括：
[0107]
中断概率对应网络可靠性性能指标，中断概率小，表示网络可靠性高，中断概率大，表示网络可靠性低；
[0108]
吞吐量对应网络数据传输量性能指标，吞吐量大，表示网络数据传输量大，吞吐量小，表示网络的数据传输量小；
[0109]
当用户要求的传输速率门限值确定时，中断概率越小，吞吐量越大，网络可靠性越高，网络的数据传输量越大；中断概率越大，吞吐量越小，网络可靠性越低，网络的数据传输量越小。
[0110]
实施例2：
[0111]
本发明公开了一种户外无线能量收集网络性能评估方法，解决了多种网络配置参数与网络中断概率和吞吐量的关系，具体包括：
[0112]
1.能量站pb发射功率与网络中断概率和吞吐量的关系，如图4所示，具体包括：
[0113]
当莱斯因子、时间分割因子、系统所需传输速率、能量站与源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，能量站pb发射功率与噪声功率的比值越大即能量站发射功率越大，系统中断概率越小，吞吐量越大；
[0114]
2.莱斯衰落信道下莱斯因子与网络中断概率和吞吐量的关系，如图4所示，具体包括：
[0115]
当能量站发射功率、时间分割因子、系统所需速率、能量站与源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，莱斯因子越大即链路直射分量越多，系统中断概率越小，吞吐量越大；
[0116]
图4中，k为莱斯因子，ana标记为根据推导出的闭式解(p
out
)计算得到的值，sim线是由蒙特卡洛仿真实验得出的结果；横轴为pb发射功率与噪声功率的比值p
b
/n0，纵轴为系统中断概率outage probability。
[0117]
3.无线能量收集模式下时间分割因子与网络中断概率和吞吐量的关系，如图5所示，具体包括：
[0118]
当能量站发射功率、莱斯因子、系统所需速率、能量站与源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，时间分割因子从0到1变化，系统中断概率先变小后变大，吞吐量先变大后变小；
[0119]
图5中，横轴为时间分割因子，纵轴为系统中断概率。
[0120]
4.系统所需传输速率与中断概率的关系，如图6所示，具体包括：
[0121]
当能量站发射功率、莱斯因子、时间分割因子、能量站与源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，系统所需速率越小，系统中断概率越小；
[0122]
图6中，横轴为pb发射功率与噪声功率的比值，纵轴为系统中断概率。
[0123]
实施例3：
[0124]
基于同一发明构思，本发明提供了一种户外无线能量收集网络性能评估系统，具体包括：基础数据计算模块、性能数据计算模块和性能评估模块；
[0125]
所述基础数据计算模块，用于基于节点与无线射频能量站之间的传输链路相关参数计算信息传输各阶段的能量和信噪比的大小；
[0126]
所述性能数据计算模块，用于基于预先确定的莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率及吞吐量的计算式，结合所述信息传输各阶段的能量、信号值的大小，计算网络中断概率和吞吐量；
[0127]
所述性能评估模块，用于基于所述网络中断概率和吞吐量对户外无线能量收集驱动网络进行性能评估。
[0128]
所述基础数据计算模块，包括能量计算子模块和信噪比计算子模块；
[0129]
所述能量计算子模块，用于计算能量收集阶段源节点从无线射频能量站采集的能量和中继节点从无线射频能量站采集的能量；
[0130]
所述信噪比计算子模块，用于在传输信息阶段依次计算中继节点从源节点接收信号的解码信噪比和目的节点从中继节点接收信号的解码信噪比。
[0131]
所述性能数据计算模块，包括中断概率计算子模块和吞吐量计算子模块；
[0132]
所述中断概率计算子模块，用于基于莱斯链路模型计算莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率；
[0133]
所述吞吐量计算子模块，用于基于所述莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率计算吞吐量。
[0134]
所述源节点从无线射频能量站采集的能量的计算式如下：
[0135][0136]
其中，e
s
为源节点从无线射频能量站采集到的能量，t为完成源节点到目的节点的端到端信息传输任务的时间，α为时间分割因子，h
ps
表示无线射频能量站到源节点之间链路的信道系数，d
ps
表示无线射频能量站到源节点之间的距离，η为能量转化效率，p
b
为无线射频能量站的配置发射功率，m表示路径损耗系数；
[0137]
所述中继节点从无线射频能量站采集到的能量的计算式如下：
[0138]
[0139]
其中，e
r
为中继节点从无线射频能量站采集到的能量，h
pr
表示无线射频能量站到中继节点之间链路的信道系数，d
pr
表示无线射频能量站到中继节点之间的距离。
[0140]
所述中继节点从源节点接收信号的解码信噪比的计算式如下：
[0141][0142][0143][0144][0145]
其中，p
s
为源节点用于传输信息的发射功率，y
r
为中继节点接收到来自源节点的信号，γ
r
为中继节点的解码信噪比，h
sr
表示源节点到中继节点之间链路的信道系数，d
sr
表示源节点到中继节点之间的距离，x
s
表示源节点的发射信号，n
r
表示中继节点处的高斯白噪声，n0为高斯白噪声的方差，为无线射频能量站到中继节点之间链路的信道系数的平方，为源节点到中继节点之间链路的信道系数的平方，γ0为无线射频能量站的配置发射功率与噪声功率的比值。
[0146]
所述目的节点从中继节点接收信号的解码信噪比的计算式如下：
[0147][0148][0149][0150][0151]
其中，p
r
为中继节点用于信息传输的发射功率，y
d
为目的节点接收到来自中继节点的信号，γ
d
为目的节点的接收信噪比，h
rd
表示中继节点到目的节点之间链路的信道系数，d
rd
表示中继节点到目的节点之间的距离，x
r
表示源节点的发射信号，n
d
表示目的节点处的高斯白噪声，为无线射频能量站到中继节点之间链路的信道系数的平方，为中继节点
到目的节点之间链路的信道系数的平方。
[0152]
所述莱斯衰落信道下的无线能量收集驱动网络的端到端中断概率的计算式如下：
[0153][0154][0155]
其中，y
ij
表示信道i的信道系数的平方与信道j的信道系数的平方的乘积；表示y
ij
的累计概率函数；p
out
为网络的中断概率；k
ν
(
·
)表示第二类ν阶修正贝塞尔函数；k1、k2、k3、k4分别表示无线射频能量站到源节点、无线射频能量站到中继节点、源节点到中继节点、中继节点到目的节点每条链路对应的莱斯因子；λ
i
表示随机变量的均值；k、q、l、p、n、t为计算过程中的标号；n取正整数；γ
th
为半双工中继系统的信噪比阈值，r
th
为系统所需传输速率，a
i
表示b
i
表示
[0156]
所述吞吐量的计算式如下：
[0157][0158]
其中，th表示网络的吞吐量。
[0159]
所述性能评估模块包括：
[0160]
可靠性和传输评估单元，用于当用户要求的传输速率门限值确定时，基于中断概率、吞吐量对网络可靠性和数据传输量进行评估；
[0161]
驱动网络性能评估单元，用于根据网络可靠性和网络的数据传输量对户外无线能量收集驱动网络的性能进行评估。
[0162]
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产
品的形式。
[0163]
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0164]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0165]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0166]
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。