中继系统中数据传输功率的最优分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别是一种数据传输功率的最优分配方法，该方 法可应用于无线中继传感网络系统。
【背景技术】
[0002] 现如今，无线中继传感网络系统已经广泛应用在现实生活中，例如：目标跟踪，环 境监测及温度控制等。该系统是由一组已经放置在空间中的本地传感器进行信息的反馈， 信源通过无线信道将数据信息传输给中继节点，中继节点将接收到的数据进行放大后再转 发到目的节点。数据在信源和中继节点的传输需要一定的功率。对于传统设备，这些放置在 空间中的本地传感器都是由小电池进行供电。当这些电池耗尽以后，想要完成对放置在空 间中的本地传感器进行电池的更换是非常困难的，不仅需要耗费大量的人力、物力、财力， 而且对于资源也是一种极度的浪费。因而，中继系统中的功率受限问题相当重要并且亟待 解决。近年来，无线信息与功率转换同步进行SWIPT技术的提出给中继系统中的功率受限问 题提供了另一种新的解决方法。该方法可以在中继节点利用接收到的部分数据信息完成功 率的转换，从而用于中继节点数据到目的节点数据的传输，并且有效延长中继节点的使用 寿命。
[0003] 现有的大部分关于中继系统中数据传输功率的分配问题的解决方法都是最小化 系统总功率损耗或者传感器节点损耗，也就是上述的传统设备。对于近年来提出的无线信 息与功率转换同步进行SWIPT技术的研究大部分也都是应用在直接无线通信系统中，即不 考虑中继节点，而是将数据从源节点直接传输到目的节点，并且得出的结论都基于共同的 假设：信道状态信息完全已知。X.Jie，L. Liang等人在其发表的论文"Multiuser MIS0 Beamforming for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer"（IEEE Transactions on Signal Processing, vol ·62，no · 18，Sep· 2014·)中提出了一种已知完全 信道状态信息的情况下，直接无线通信系统中数据传输功率的最优分配方法。在该方法中， 将无线信息协作与功率转换同步进行SWIPT技术应用在直接无线通信系统中，得到了直接 无线通信系统中数据传输功率的最优分配。该方法存在的不足之处是:没有考虑信道估计 误差对系统检测性能的影响，同时，没有考虑中继节点，因而不能保障数据进行长距离传输 的安全性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提出一种中继系统中数据传输功率的最优分配方法，以解决现 有技术中没有考虑信道估计误差对检测性能的影响、不能保障数据进行长距离传输的安全 性及人力更换无线中继传感网络节点供电装置所造成的资源浪费问题。
[0005] 实现本发明的技术方案是:在点到点的无线中继传感网络系统中，将信源发送的 数据信息通过无线信道发送给中继节点，中继节点将接收到的部分信源发送数据转化成能 量，完成中继节点能量的吸收工作，中继节点吸收的能量部分用来将中继节点的剩余源发 送数据以固定增益形式进行放大并通过无线信道发送到目的节点，中继节点吸收的能量剩 余部分将用来延长中继节点的使用寿命，在系统的中断概率最小的条件下，实现中继系统 中数据传输功率的最优分配。具体步骤包括如下：
[0006] (1)在点到点的无线中继通信系统模型中计算中继节点导频信息的检测值yrp:
[0008] 其中，cb为信源到中继节点的距离，m为路径损耗指数，hsr为信源到中继节点的无线 信道系数，h sr服从均值为0,方差为的正态分布，Pps为信源的导频传输功率，&为信源传 输的导频信息，<为信源到中继节点的信道噪声，<服从均值为0,方差为的正态分布；
[0009] (2)计算联合信道系数h:
[0010] h = hrdhsr?
[0011] 其中，hrd为中继节点到目的节点无线信道系数，hrd服从均值为ο，方差为< 的正态 分布；
[0012] ⑶根据中继节点导频信息的检测值yrp和联合信道系数h，利用下式计算目的节点 导频信息的检测值yd P:
[0014]其中，^为中继节点导频信息的检测值的传输增益，h为联合信道系数，山为中继节 点到目的节点的距离，m为路径损耗指数，yrp为中继节点导频信息的检测值，<为中继节点 对数据处理产生的噪声，<服从均值为〇，方差为的正态分布，<为目的节点对数据处理 产生的噪声，4服从均值为0,方差为< 的正态分布，4为中继节点到目的节点之间的信道 噪声，的服从均值为0,方差为°^的正态分布；
[001 5 ] ( 4 )计算中继节点传感器数据的检测值yrd :
[0017] 其中，Pds为信源的数据传输功率，Xd为信源传输的数据信息；
[0018] (5)根据中继节点传感器数据的检测值yrd利用下式计算目的节点传感器数据的检 测值ydd:
[0020] 其中，Ad为中继节点传感器数据的检测值的传输增益，p为中继节点传感器数据的 检测值进行能量吸收的分配比值，〇<p<l，y rd为中继节点传感器数据的检测值；
[0021] (6)根据目的节点传感器数据检测值的信噪比的条件概率密度函数f (λ)，计算中 断概率Pout:
[0023]其中，λ为目的节点传感器数据检测值的信噪比，Ath为检测门限；
[0024] (7)计算中继节点的吸收能量Eh:
[0026] 其中，α为中继节点能量吸收的效率，〇<α<1，<为信源到中继节点的无线信道 系数的方差，Ν为信源传输的数据符号的数目，Τ为每个数据符号在系统中的传输时间；
[0027] (8)计算中继节点的吸收能量用于信息传输的比值Π:
[0029] 其中，Ppr为吸收的能量分配给导频信息的传输功率，Pdr为吸收的能量分配给数据 信息的传输功率，E h为中继节点的吸收能量；
[0030] (9)计算每个数据符号的平均功率P:
[0032] (10)将步骤(8)-(9)的计算结果作为中断概率的约束条件，得到中继节点传感 器数据的检测值进行能量吸收的最优分配比值V :
[0034] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0035] 1.本发明由于考虑到了信道估计误差对中继系统检测性能的影响，相比于现有技 术中没有考虑信道估计误差对检测性能的影响，本发明能够实现更好的检测性能。
[0036] 2.本发明在存在信道估计误差的情况下，由于采用了无线信息与功率转换同步进 行技术，解决了中继系统中数据传输功率的最优分配问题，不仅能够有效减少现有技术中 人力更换无线中继传感网络节点供电装置所造成的资源浪费问题，而且能够有效保障数据 进行长距离传输的安全性。
【附图说明】
[0037]图1是本发明的实现总流程图；
[0038]图2是本发明中计算目的节点传感器数据的检测值ydd的子流程图；
[0039]图3是本发明中计算中断概率p?t的子流程图；
[0040]图4是本发明中计算中继节点传感器数据的检测值进行能量吸收的最优分配比值 V的子流程图；
[0041 ]图5是本发明中的信源与中继之间的距离dl和中断概率Pcmt之间的关系仿真图； [0042]图6是本发明中的中继节点的吸收能量用于信息传输的比值τι和中断概率pQUt之间 的关系仿真图；
[0043] 图7是本发明中的系统噪声和中断概率p?t之间的关系仿真图；
[0044] 图8是本发明中的系统噪声和中继节点传感器数据的检测值进行能量吸收的分配 比值P之间的关系仿真图；
[0045] 图9是本发明中的中继节点传感器数据的检测值进行能量吸收的分配比值P和中 间变量βι之间的关系仿真图。
[0046] 以下结合附图对本发明的技术方案和效果作进一步详细描述。
【具体实施方式】
[0047] 在点到点的无线中继传感网络系统，信源将数据信息通过无线信道发送给一个中 继节点，中继节点将从信源接收到的部分数据转化成能量，并将部分能量用来将传输中继 节点的剩余源发送数据以固定增益形式通过无线信道发送到目的节点，中继节点吸收的能 量剩余部分将用来延长中继节点的使用寿命，在保证系统的中断概率最小的条件下，实现 中继系统中数据传输功率的最优分配。
[0048]参照图1，本发明的实现步骤如下：
[0049]步骤1，在点到点的无线中继通信系统模型中计算目的节点传感器数据的检测值 ydd 〇
[0050]参照图2,本步骤的具体实现如下：
[0051 ] (la)计算中继节点导频信息的检测值y