一种在瑞利衰落信道中的基于最优阈值传输调度的中继节点选择方法

技术领域

本发明属于通信领域，尤其是涉及具有能量采集的协同通信系统以及优化系统的期望传输速率的中继节点选择方法。

背景技术

随着无线通信技术的广泛发展，无线通信技术已经渗入到人类生活的方方面面。同时，因通信产业迅猛发展所引起的通信能耗迅速增长的问题逐渐引起科研和工程领域的注意。如何有效的降低通信产业造成的能量消耗问题是当今科研和工程领域都亟待解决的问题。能量采集中继网络系统融合了能量采集与中继网络的优势，是通信系统进一步发展极其有希望的解决方案。能量采集中继网络利用从周围环境中采集能量(如太阳能、风能、RF等)转发由源节点发送到中继节点的信息，在保证通信质量的基础上，减少资源浪费，从而达到节能减排，降低通信能耗的目的。大部分能量采集中继网络模型中的能量采集部分都是由中继节点完成，而源节点和目的节点则仍是采用传统供电方式，通信部分的模型都是由单个或多个中继节点转发信息。对于能量采集中继网络，不同的中继节点每个时隙收集并储存的能量是不同的，且转发相同数据包所消耗的能量也是不同的，那么选择合适的中继节点，则会提升整个系统的能量利用率和传输速率。因此，当发射功率受限且恒定时，研究如何充分利用有限的储能，从能量采集中继网络中选择合适的中继节点以使系统达到最优传输速率是极其有意义的。

发明内容

为了克服现有的能量采集中继网络中的中继节点因采集能量有限导致转发数据受限，本发明提供一种在解码转发能量采集中继网络中，对于存在瑞利衰落的信道中如何选择中继节点以有限的采集能量，最大化系统传输速率的中继节点选择方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种在瑞利衰落信道中的最优阈值传输调度的中继节点选择方法，所述方法包括以下步骤：

1)源节点到中继节点、中继节点到目的节点的各个信号的包络γ服从瑞利分布，且信噪比γ服从的指数分布，其中γ₀为平均信噪比。中继节点瞬时信噪比γ₁,γ₂,…,γ_K按由小到大的顺序重排后为γ₍₁₎≤γ₍₂₎≤…≤γ_(k)≤γ_(k+1)≤…≤γ_(K)，γ_(k)称第k个次序统计量，其概率密度函数f_(k)(γ)为：

累积概率密度函数F_(k)(γ)为：

其中，式中各参数定义如下：

f_(k)(γ)：γ_(k)的概率密度函数；

F_(k)(γ)：γ_(k)的累积概率密度函数；

F(γ)：信噪比γ的累积概率密度函数，其中

K：中继节点个数；

γ₀：平均信噪比；

γ_k：中继节点k的瞬时信噪比；

γ_(k)：中继节点瞬时信噪比按照从小到大排序后，信噪比第k个次序统

计量

2)每个中继节点感知从源节点到自身，以及自身到目的节点的信

道信息，然后将转发信息所需要的能量以及自身储存能量通知源节点；

通过中继节点感知到的信道信息以及中继节点和目的节点接收到的信

道信息，得到系统平均信噪比E[γ_(k)]如下：

平均传输速率E[C_(k)]如下：

其中，式中各参数定义如下：

B：信道带宽

P_s：源节点发射功率

3)最优阈值传输调度方法选择中继节点则以中继节点储存能量为判断链路是否建立，得到中断概率表达式为：

其中，式中各参数定义如下：

P_k＝2E_max/T：中继节点k的转发功率；E_max中继节点储能最大容量；T信息从源节点发送到目的节点所需要的时间，信息源节点到中继节点与从中继节点到目的节点的时间相同；

4)系统从符合条件的中继节点中选择最大均值平均传输速率E[C_(k)]，选择最优中继节点k^*满足下式：

约束条件为：E[O_(k)]≤Emax

对于公式(7)中的约束条件，转换为最小功率与最大储能关系，得到下式：

约束条件：P_k≥2E_max/T

根据步骤2)，3)中平均速率定义，得到阈值固定时的传输速率为：

其中，E[C₍₀₎]表示没有数据传输，E[C₍₀₎]＝0

根据在信道衰落相同，传输时间相同的信道中，信息所需要的时间相同，求系统传输的期望能量消耗：

能量期望消耗为：

其中，E[O₍₀₎]表示无信息传输时的能量消耗，E[O₍₀₎]＝0

根据步骤2)，4)得到阈值调度传输算法的传输速率为：

能量期望消耗：

其中，

能量期望消耗为：

本发明的技术构思为：首先不同的中继节点的转发功率是不同的，因信道各不相同导致同一时刻转发同一个数据包所需要的能量不同，因此可以讲中继节点储能作为可以控制的网络资源，实现传输速率最大。换言之，希望通过中继节点储能判断源节点到目的节点的链路是否能建立，从符合条件的中继节点中挑选出能达到传输速率最大的中继节点。

本发明的有益效果主要表现在：对于整个能量采集中继网络而言，选择合适的中继节点不仅可以有效利用采集到的能量，而且可以增加系统长期的平均效益。

附图说明

图1是具有K个中继节点的网络系统示意图。

图2是选择合适的中继节点的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1和图2，一种在瑞利衰落信道中的基于最优阈值传输调度的中继节点选择方法，实行该方法能充分利用采集到的能量，增加系统均值传输速率。本发明基于具有K个中继节点的能量采集中继网络系统(如图1所示)。在能量采集中继网络中，源节点以恒定功率将信息发送个中继节点，中继节点根据从中选择传输速率最大且自身储能足够的节点将信息转发给目的节点。发明针对能量采集中继网络选择合适中继节点以达到均值传输速率最大的方法有以下步骤(如图2所示)：

1)源节点到中继节点、中继节点到目的节点的各个信号的包络γ服从瑞利分布，且信噪比γ服从的指数分布，其中γ₀为平均信噪比。中继节点瞬时信噪比γ₁,γ₂,…,γ_K按由小到大的顺序重排后为γ₍₁₎≤γ₍₂₎≤…≤γ_(k)≤γ_(k+1)≤…≤γ_(K)，γ_(k)称第k个次序统计量，其概率密度函数f_(k)(γ)为：

累积概率密度函数F_(k)(γ)为：

其中，式中各参数定义如下：

f_(k)(γ)：γ_(k)的概率密度函数；

F_(k)(γ)：γ_(k)的累积概率密度函数；

F(γ)：信噪比γ的累积概率密度函数，其中

K：中继节点个数；

γ₀：平均信噪比；

γ_k：中继节点k的瞬时信噪比；

γ_(k)：中继节点瞬时信噪比按照从小到大排序后，信噪比第k个次序统计量；

2)每个中继节点感知从源节点到自身，以及自身到目的节点的信道信息，然后将转发信息所需要的能量以及自身储存能量通知源节点；

通过中继节点感知到的信道信息以及中继节点和目的节点接收到的信道信息，得到系统平均信噪比E[γ_(k)]如下：

平均传输速率E[C_(k)]如下：

其中，式中各参数定义如下：

B：信道带宽；

P_s：源节点发射功率；

3)最优阈值传输调度方法选择中继节点则以中继节点储存能量为判断链路是否建立，得到中断概率表达式为：

其中，式中各参数定义如下：

P_k＝2E_max/T：中继节点k的转发功率；

E_max中继节点储能最大容量；

T信息从源节点发送到目的节点所需要的时间，信息源节点到中继节点与从中继节点到目的节点的时间相同，均为T/2；

4)系统从符合条件的中继节点中选择最大均值平均传输速率选择最优中继节点k*满足下式：

约束条件为：E[O_(k)]≤Emax

步骤4.1：对于公式(19)中的约束条件，转换为最小功率与最大储能关系，得到下式：

约束条件：P_k≥2E_max/T

步骤4.2：对于公式(21)中的约束条件，改用3)中断概率表示，即当中断概率小于阈值则链路建立，得到下式：

利用求得最大期望传输速率时选择最优中继节点k^*；

步骤4.3：依据信息从源节点发送到中继节点所消耗的能量等同于其从中继节点转发到目的节点所消耗的能量，求得系统平均能量消耗E[O_(k)]：

将公式(23)化简，得到中继节点传输速率经顺序统计后均值能量消耗为：

将公式(14)代入公式(24)中，将积分公式得到：

由公式(18)(25)得到系统期望能量消耗