一種無線中繼節(jié)點工作量的分配方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及無線通信領域，具體設及一種無線中繼節(jié)點工作量的分配方法。
【背景技術】
[0002] 在無線傳感器網絡中，由于傳感器節(jié)點一般采用電池供電，能量有限，且應用環(huán)境 條件復雜，使得節(jié)點難W補充能量。因此，為了解決傳感器節(jié)點能量問題，延長無線傳感器 網絡的生命周期，能量采集技術應運而生。同時，為了提高系統(tǒng)性能，降低無線網絡的系統(tǒng) 時延，協(xié)作通信技術也起著非常重要的作用。因此，無線能量采集中繼網絡的研究對無線通 信領域的發(fā)展起著至關重要的作用。
[0003] 研究無線能量采集中繼網絡的重點都集中在中繼選擇方法上，而傳統(tǒng)的中繼選擇 方法有:通過全雙工的模式在兩跳中繼系統(tǒng)中提供離線的中繼選擇方法;在多節(jié)點中繼系 統(tǒng)中通過尋求系統(tǒng)吞吐量最大的中繼進行中繼選擇;基于信噪比來最小化信號誤碼率來進 行中繼選擇等。運些方法都需要知道每個中繼的瞬時信道狀態(tài)信息CSI和能量采集信息 ESI。然而在某些特殊情況下，瞬時信道狀態(tài)信息和瞬時能量采集信息是無法獲得的。

【發(fā)明內容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術存在的缺點與不足，本發(fā)明提供一種無線中繼節(jié)點工作量的分 配方法，本發(fā)明解決了無線能量采集中繼網絡在瞬時信道狀態(tài)信息和瞬時能量采集信息無 法獲得時的中繼節(jié)點工作量分配問題，W兼顧能量利用效率的提高和算法復雜度的降低， 從而有效減小系統(tǒng)的傳輸時延。
[0005] 本發(fā)明采用如下技術方案：
[0006] -種無線中繼節(jié)點工作量的分配方法，用于無線能量采集中繼系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包 括一個源節(jié)點、一個目的地節(jié)點及N個中繼節(jié)點，包括如下步驟：
[0007] 獲取各個中繼節(jié)點的工作強度，所述工作強度定義為中繼節(jié)點的平均數(shù)據(jù)到達率 與服務率的差值，當差值為負數(shù)時取零；
[000引N個中繼節(jié)點依次接收源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，進行轉發(fā)到達目的地節(jié)點，定義從第一 個中繼節(jié)點開始接收數(shù)據(jù)到第N個中繼節(jié)點接收數(shù)據(jù)完畢為一個工作周期；
[0009] 根據(jù)各個中繼節(jié)點的工作強度，確定每個中繼節(jié)點在一個工作周期內接收源節(jié)點 數(shù)據(jù)的時隙數(shù)；
[0010] 在一個工作周期內，捜索每個中繼節(jié)點工作強度的最小值，調整時隙數(shù)，使N個中 繼節(jié)點的工作強度達到合理。
[0011] 所述中繼節(jié)點的服務率為該節(jié)點的平均吞吐量，所述平均吞吐量表達式為E{g化 化)T化））}，其中別-\-)=^1(：巧:(1 + -\-/;\^,,)，表示香農容量公式，11化)表示信道增益，1'化)表示 傳輸數(shù)據(jù)消耗的能量。
[0012] 所述中繼節(jié)點的平均數(shù)據(jù)到達率表達式：
[0014] 式中，4表示第i個中繼節(jié)點的平均數(shù)據(jù)到達率，N表示中繼節(jié)點的個數(shù)，ti表示第 i個中繼節(jié)點在一個循環(huán)周期的服務時間，、表示所有中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)到達率，即源節(jié)點發(fā) 送給中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)。
[0015] N個中繼節(jié)點依次接收源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，進行轉發(fā)到達目的地節(jié)點，具體是數(shù)據(jù) 的發(fā)送按照時隙劃分，每個時隙分為=個階段：
[0016] 階段一，各個能量采集節(jié)點從環(huán)境中采集能量，所述能量采集節(jié)點包括中繼節(jié)點 及源節(jié)點；
[0017] 階段二，源節(jié)點向指定的中繼節(jié)點發(fā)送信息；
[001引階段S，各個中繼節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送信息。
[0019] 源節(jié)點向指定的中繼節(jié)點發(fā)送信息，且只有一個指定的中繼節(jié)點。
[0020] 所述使N個中繼節(jié)點的工作強度達到合理，具體使系統(tǒng)內所有中繼節(jié)點的工作強 度之和最小。
[0021] 工作周期W時隙為單位，且取最小值。
[0022] 具體采用坐標輪換法捜索每個中繼節(jié)點工作強度的最小值。
[0023] 本發(fā)明的有益效果：
[0024] (1)本發(fā)明W工作強度為目標函數(shù)確定中繼節(jié)點的工作量分配，是的中繼節(jié)點的 工作強度減小，并且達到資源合理分配；
[0025] (2)本發(fā)明使用數(shù)據(jù)到達率和服務率來構建目標函數(shù)值，利用長期統(tǒng)計信息確定 中繼節(jié)點的選擇和工作量分配，大大降低系統(tǒng)計算量和算法復雜度；
[0026] (3)本發(fā)明有效降低系統(tǒng)時延，提高網絡性能。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明實施例采用的無線能量采集中繼系統(tǒng)結構圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明的工作流程圖；
[0029] 圖3是本發(fā)明實施例采用的坐標輪換算法的工作流程圖；
[0030] 圖4是采用本方法及中繼輪換法及中繼選擇法的系統(tǒng)時延對比圖；
[0031] 圖5是無線中繼網絡中根據(jù)本發(fā)明實施例的方法，采用不同的工作周期長度的系 統(tǒng)時延的對比示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面結合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不 限于此。
[0033] 實施例
[0034] 如圖2所示，一種無線中繼節(jié)點工作量的分配方法，用于無線能量采集中繼系統(tǒng)， 本實施例采用的系統(tǒng)模型為，一個兩跳的能量采集中繼系統(tǒng)，存在一個源節(jié)點S，一個目的 節(jié)點D和N個能量采集中繼節(jié)點，中繼節(jié)點定義為Ri, ie U，2，...，N}。假設源節(jié)點S和中繼 節(jié)點Ri通過采集到的能量進行信號傳輸，使得目的節(jié)點D能夠得到持續(xù)不斷的能量供給。其 中，源節(jié)點S和中繼節(jié)點Ri電池容量有限，同時能量損耗相比于傳輸能量而言可W忽略不 計。
[0035] 本系統(tǒng)按照時隙劃分，每個時隙的時長相同，且分為=個階段，階段1，源節(jié)點和中 繼節(jié)點從環(huán)境中W不同的能量采集速度進行能量采集;階段2,源節(jié)點選擇一個中繼并通過 該中繼進行信號傳輸;階段3,每個能量不為空的中繼傳輸信號到目的節(jié)點。
[0036] 每個時隙根據(jù)規(guī)定的中繼選擇算法進行中繼選擇，只有一個中繼會被選中接收源 節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，其余中繼節(jié)點不接收。如圖1所示，源節(jié)點到中繼節(jié)點實線部分表明該時 隙選擇某中繼，虛線表示其他時隙選擇相應的中繼；中繼節(jié)點到目的節(jié)點均為實線，表明中 繼節(jié)點均發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點，為了避免目的節(jié)點發(fā)生碰撞，本發(fā)明實施例使用碼字或者 不同子載波進行中繼節(jié)點到目的節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。
[0037] 本實施例中采用吞吐量最優(yōu)策略(TO策略)分配能量。
[0038] 首先，本發(fā)明實施例的中繼節(jié)點Ri在k+1時隙數(shù)據(jù)隊列長度表示為前一個時隙的 數(shù)據(jù)隊列長度與當前從源節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)之和減去該中繼可W傳輸?shù)侥康墓?jié)點的數(shù) 據(jù);能量隊列長度表示為前一個時隙的能量存儲與當前采集的能量之和減去傳輸數(shù)據(jù)所消 耗的能量。
[0039] 本發(fā)明通過使中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)隊列長度也稱工作強度最低來降低系統(tǒng)時延。
[0040] 雖然每個中繼的數(shù)據(jù)到達率有可能不同，但是我們可W把所有的中繼節(jié)點當做一 個整體，運樣，本發(fā)明將所有中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)隊列長度的總和即為系統(tǒng)總時延。
[0041] 本發(fā)明一種無線中繼節(jié)點的工作量分配方法，具體包括：
[0042] 第一步，獲取各個中繼節(jié)點的工作強度，所述工作強度定義為中繼節(jié)點的平均數(shù) 據(jù)到達率與服務率的差值，當差值為負數(shù)時取零；
[0043] 所述平均數(shù)據(jù)到達率即為源節(jié)點的平均吞吐量，中繼節(jié)點的服務率為該節(jié)點的平 均吞吐量。
[0044] 所述中繼節(jié)點的服務率具體為：平均吞吐量表達式為E{g(h(k)T(k))}，其中
表示香農容量公式，h化)表示信道增益，T化)表示傳輸數(shù)據(jù)消耗的 能量。
[0045] 因為把所有中繼節(jié)點作為一個系統(tǒng)，所W中繼節(jié)點的平均數(shù)據(jù)到達率為
[0047]式中，表示中繼節(jié)點在一個循環(huán)周期內的服務時間。分析公式可W發(fā)現(xiàn)當ti增大 時，《也跟著增大，呈正相關關系；當X二f,.增大時，其他中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)到