本發(fā)明涉及無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別是涉及一種可充電無線傳感網(wǎng)多中繼節(jié)點選擇方法。

背景技術(shù)：

在能量受限的無線網(wǎng)絡(luò)中，由電池供電的設(shè)備通常具有有限的持續(xù)操作時間，這會顯著地影響到網(wǎng)絡(luò)的性能。對于這種網(wǎng)絡(luò)，可以通過頻繁的電池再充電/再分配來延長其壽命，然而，這對于具有大量設(shè)備(例如，無線傳感器網(wǎng)絡(luò))的應(yīng)用場景通常是不方便的。對于設(shè)備位于含有有害物質(zhì)的環(huán)境中是危險的，甚至在許多其他應(yīng)用(例如，植入的醫(yī)療裝置)中是不可行的。

可以克服上述限制的一種替代的能量收集技術(shù)是射頻能量傳輸技術(shù)。射頻能量傳輸是無線能量傳輸?shù)倪^程，通過利用電磁波的遠(yuǎn)場輻射特性可以將能量從能量發(fā)射器無線地傳送到無線終端設(shè)備中。rf能量轉(zhuǎn)移的特征在于低功率和長距離，因此適合為具有低能耗、分布在相對較寬的區(qū)域的大量終端供電。

近些年來，多輸入多輸出(multipleinputmultipleoutput,mimo)技術(shù)為改善通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能、提高用戶的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和可靠傳輸提供了一種行之有效的解決途徑。協(xié)作通信技術(shù)則充分利用了無線電波的全向傳播特性使無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點互相協(xié)作形成了虛擬的天線陣列，相比于傳統(tǒng)的mimo技術(shù)可以得到的更大的空間分集增益。

關(guān)于協(xié)作通信的基本思想可以追溯到一種三節(jié)點網(wǎng)絡(luò)(一個源節(jié)點，一個目的節(jié)點，一個中繼節(jié)點)，假設(shè)所有節(jié)點在相同的頻帶工作，在這樣的設(shè)置下，系統(tǒng)便可以分解為一個廣播信道(從源節(jié)點看)和一個多址信道(從目的節(jié)點看)。然而，在協(xié)作通信的較多方面我們考慮的與中繼信道都是與之不同的。目前的大多研究都在于怎樣產(chǎn)生克服衰落的分集，而在中繼信道中，中繼的目的是為了協(xié)助主要信道，然而在協(xié)作通信中，整個系統(tǒng)的資源是固定的，其中的用戶既可以是信息源又可以是中繼者。

在最近幾年，隨著分集技術(shù)的不斷發(fā)展，協(xié)作通信成為了當(dāng)前無線通信網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點。研究協(xié)作通信的一個主要目的就是為了對抗無線信道的多徑衰落效應(yīng)。因為無線信道的衰落是服從隨機(jī)分布的(考慮小尺度衰落，在微小的時間和空間差別下信號的強(qiáng)度發(fā)生大的變化)，若直連信道正處于深度衰落，則不利于通信；而對于距離源節(jié)點旁邊的伙伴節(jié)點，其協(xié)助信道卻有可能處于很好的信道狀態(tài)。在這種情況下，源節(jié)點就可以尋求鄰居節(jié)點的幫助，先把數(shù)據(jù)發(fā)給鄰居節(jié)點，再由鄰居節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)給目的節(jié)點。作為一種新型的mimo通信模式，中繼節(jié)點選擇技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一，決定了協(xié)作是否能夠帶來性能增益。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服已有可充電傳感網(wǎng)絡(luò)多中繼節(jié)點選擇方法的中斷概率較大、吞吐量較小的不足，本發(fā)明提供一種可充電傳感網(wǎng)絡(luò)多中繼節(jié)點選擇方法，能夠得到最小化網(wǎng)絡(luò)中斷概率、吞吐量達(dá)到最大。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種可充電傳感網(wǎng)絡(luò)多中繼節(jié)點選擇方法，所述方法包括如下步驟：

1)根據(jù)中繼節(jié)點電池的閾值，來選擇每個時隙中協(xié)助源節(jié)點傳輸信息的中繼節(jié)點，在每個時隙中，滿足電池閾值要求的中繼節(jié)點會被選擇；

2)利用馬爾科夫鏈對中繼節(jié)點電池的充放電過程來進(jìn)行建模，得出該無線網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的中斷概率以及吞吐量表達(dá)式；

3)利用遺傳算法得出了使網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大和網(wǎng)絡(luò)中斷概率最小時的電池閾值的取值情況，得到電池閾值的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)一步，所述步驟1)中，為每個中繼節(jié)點設(shè)定各自的能量閾值，只有大于該閾值時，該節(jié)點才能夠在當(dāng)前周期被選擇。

再進(jìn)一步，所述步驟2)中，把電池所處的能量級離散化，將電池的充放電過程轉(zhuǎn)化為馬爾科夫鏈中的狀態(tài)變化。

更進(jìn)一步，所述步驟3)中，所述遺傳算法依照電池閾值的定義域來初始化種群個體，以網(wǎng)絡(luò)中斷概率作為適應(yīng)度函數(shù)來進(jìn)行最優(yōu)電池閾值的求解。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：能夠找到一種電池閾值的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)來選擇每個周期中參與協(xié)助的中繼節(jié)點，使得網(wǎng)絡(luò)中斷概率最小，吞吐量達(dá)到最大。

附圖說明

圖1是一種無線供能協(xié)作網(wǎng)絡(luò)模型示意圖；

圖2是中繼節(jié)點的兩種傳輸模式的示意圖；

圖3是中繼節(jié)點電池的能量狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖3，一種可充電傳感網(wǎng)絡(luò)多中繼節(jié)點選擇方法，所述方法包括如下步驟：

1)根據(jù)中繼節(jié)點電池的閾值，來選擇每個時隙中協(xié)助源節(jié)點傳輸信息的中繼節(jié)點，在每個時隙中，滿足電池閾值要求的中繼節(jié)點會被選擇；

2)利用馬爾科夫鏈對中繼節(jié)點電池的充放電過程來進(jìn)行建模，得出該無線網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的中斷概率以及吞吐量表達(dá)式；

3)利用遺傳算法得出了使網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大和網(wǎng)絡(luò)中斷概率最小時的電池閾值的取值情況，得到電池閾值的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)一步，所述步驟1)中，為每個中繼節(jié)點設(shè)定各自的能量閾值，只有大于該閾值時，該節(jié)點才能夠在當(dāng)前周期被選擇。

再進(jìn)一步，所述步驟2)中，把電池所處的能量級離散化，將電池的充放電過程轉(zhuǎn)化為馬爾科夫鏈中的狀態(tài)變化。

更進(jìn)一步，所述步驟3)中，所述遺傳算法依照電池閾值的定義域來初始化種群個體，以網(wǎng)絡(luò)中斷概率作為適應(yīng)度函數(shù)來進(jìn)行最優(yōu)電池閾值的求解。

本發(fā)明所述的一種可充電傳感網(wǎng)絡(luò)多中繼節(jié)點選擇方法，其主要的應(yīng)用場景可抽象表示為圖1中的無線供能協(xié)作網(wǎng)絡(luò)模型，由一對源-目的地節(jié)點，以及多個協(xié)助源節(jié)點傳輸信息的中繼節(jié)點組成。因距離過遠(yuǎn)會導(dǎo)致很大的路徑損耗或者兩地間的障礙物等其他因素，假設(shè)源節(jié)點與目的地節(jié)點之間不能直接通信。并且，所有的節(jié)點都配有單發(fā)射天線，以半雙工模式來工作。源節(jié)點與目的地節(jié)點有固定的能量供應(yīng)，中繼節(jié)點沒有固定的能量供應(yīng)但配有能量收集電路和蓄電池以存貯能量。中繼節(jié)點收集的能量完全依賴于源節(jié)點的射頻廣播信號，在每個數(shù)據(jù)塊開始傳輸塊之前，中繼節(jié)點可以決定其下一階段的傳輸模式。中繼節(jié)點配有的蓄電池可以使其儲存通過射頻信號所收集的能量。

針對這一場景，在傳輸過程中主要使用的傳輸協(xié)議為圖2中所述的雙模式轉(zhuǎn)換協(xié)議，假定每個單獨傳輸塊的持續(xù)時間為t，對于每個傳輸塊，又可進(jìn)一步分成2個時隙，各占t/2。在上一個時隙中，源節(jié)點將廣播信號廣播到所有中繼節(jié)點。中繼節(jié)點會根據(jù)自己當(dāng)前所在的模式來決定其操作。在能量收集模式時將接收到的廣播信號轉(zhuǎn)化為能量儲存到蓄電池中，在信息接收模式時接收該信息。在下一個時隙中，處于能量儲存模式的中繼節(jié)點保持靜默狀態(tài)，處于信息接收模式的中繼節(jié)點將其前一時隙所接收的信息轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點。

用s和d分別代表源節(jié)點及目的地節(jié)點，用ru代表第u個中繼節(jié)點，u屬于集合{1,2,…,n}。對于s-r與r-d信道間的隨機(jī)信道增益變化情況，采用nakagami-m的衰落分布來表示。此外，假設(shè)所考慮模型中的所有信道在每個傳輸時間塊內(nèi)的瞬時信道增益保持不變，且在不同時間塊內(nèi)各自相互獨立。

設(shè)源節(jié)點以恒定功率ps發(fā)送廣播信號，用x代表其發(fā)射的信號。

那么在第一個時隙中繼節(jié)點收到的信號為

其中hu表示s節(jié)點與ru之間的信道增益，n表示高斯白噪聲。

當(dāng)ru處于能量捕獲模式時，在第一個時隙中所收集的能量為

其中0<η<1，表示能量轉(zhuǎn)化效率。

設(shè)表示被選擇的中繼節(jié)點的集合，在第二個時隙內(nèi)，集合中的中繼節(jié)點共同幫助源節(jié)點發(fā)送信息，對于集合中的單獨一個中繼節(jié)點ru，其發(fā)送的信號為

其中ωu是中繼節(jié)點ru在集合的一個權(quán)值，可以通過公式來計算得到。

目的地節(jié)點所接收到的信號

在目的地節(jié)點所接收到的信號的信噪比為

本發(fā)明提出的中繼節(jié)點選擇方法基于中繼節(jié)點電池的閾值來對其進(jìn)行選擇。每個時隙中，滿足電池閾值要求的中繼節(jié)點會被選擇，關(guān)于該閾值的設(shè)定方法為：

考慮要為每個中繼節(jié)點設(shè)計其能量閾值。這個閾值可以隨著中繼節(jié)點的不同而進(jìn)行變化。這是因為電池中可用的累積能量的平均值會隨著中繼節(jié)點與源節(jié)點間距離的減小而增大。這種變化時由于信號的傳播會有路徑損耗，距離越近的中繼節(jié)點受到的路徑損耗越小。從這個角度來講，這些接近源節(jié)點的中繼節(jié)點應(yīng)該在第二跳的協(xié)助傳輸中貢獻(xiàn)更多的能量。對于這一點可以通過為它們設(shè)置更高的能量閾值來實現(xiàn)。同時，這些中繼節(jié)點的所得到的較高發(fā)射功率也可以用于補(bǔ)償?shù)诙械膰?yán)重信道損耗，因為它們相對遠(yuǎn)離第二跳的目的節(jié)點。而對于目的地附近的中繼節(jié)點，應(yīng)設(shè)置較低的能量閾值因為它們在第二跳中累積的能量更少和但其具有更好的信道增益。設(shè)βu表示第u個中繼節(jié)點的電池能量閾值：

其中z是用來調(diào)整所有中繼節(jié)點的平均發(fā)送功率的一個標(biāo)量，用于表示x,y節(jié)點間信道的平均功率增益，α∈[2,5]是路徑損耗系數(shù)。設(shè)pu表示第u個中繼節(jié)點的發(fā)射功率：

pu＝βu/(t/2)＝2βu/t(7)

令c表示所有中繼節(jié)點電池的容量，l表示把電池容量離散化為l份。則中繼節(jié)點電池的第i個能級可以表示為εi＝ic/l,i∈{0,1,2,…,l}。

其中表示向上取整，實際的閾值取的是離散化后的電池容量的某一個能級。

使用本方法來選擇節(jié)點后整個網(wǎng)絡(luò)所能達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)：

令θu[m]∈{θe,θi},m＝1,2,3…,表示第u個中繼節(jié)點在第m個時間塊所選擇的操作模式，其中θe和θi分別代表能量捕獲模式和信息轉(zhuǎn)發(fā)模式。

用ru[m]表示中繼u在第m個時塊開始時其電池的剩余能量。

對于每個中繼節(jié)點，用si表示當(dāng)前電池能量為εi，表示第u個中繼節(jié)點從si狀態(tài)變?yōu)閟j狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率。

pr{eu＝0}相當(dāng)于要求當(dāng)中繼節(jié)點在一個周期內(nèi)收集的能量過少，即少于∈1時，便可以近似的認(rèn)為在該周期內(nèi)，中繼節(jié)點沒有收集到能量。|hu|²所服從的分布函數(shù)為

其中是伽馬函數(shù)，

從而就可以求得

所以有，同理，可以得到

用來表示對于中繼節(jié)點ru的(l+1)×(l+1)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，對于每一個中繼節(jié)點ru，存在一個穩(wěn)定的狀態(tài)分布矩陣πu滿足下列等式

πu＝(πu,0,πu,1,…,πu,l)^t＝(zu)^tπu(19)

其中(·)^t表示矩陣轉(zhuǎn)置，πu,i,i∈{0,1,…,l}表示狀態(tài)分布矩陣πu中對應(yīng)于中繼節(jié)點ru的第i個能量狀態(tài)的概率，從而可以得到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，中繼節(jié)點ru電池能量的穩(wěn)定分布為

πu＝((zu)^t-i+b)^-1b(20)

其中b＝(1,1,…,1)^t。

達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時整個網(wǎng)絡(luò)的中斷概率：

其中o代表中斷事件，λ＝{r1,r2,…,rn}表示所有中繼節(jié)點的一個集合，代表當(dāng)前時隙所選擇的中繼節(jié)點的一個集合，它是集合λ的一個子集。用表示集合λ中含有k個中繼節(jié)點的第n個子集，那么

其中表示當(dāng)前時隙中，沒有中繼點滿足能量閾值要求，即所有中繼節(jié)點都處于能量捕獲模式，所選的中繼節(jié)點集合為空集。

同理，可以計算出

對于中的需要先得到關(guān)于選擇中繼節(jié)點集合的信噪比其累積分布函數(shù)為

為了簡化表達(dá)式，令其中是衡量ru和d之間信道衰落的一個參數(shù)。同時也可以得到的概率密度函數(shù)

然后利用的分布函數(shù)，可以得到

其中v＝2^2r-1表示該網(wǎng)絡(luò)中斷概率的信噪比閾值，r為網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率。

將前面得到的概率分別代入下面的式子，可以得到整個網(wǎng)絡(luò)的中斷概率pout

網(wǎng)絡(luò)的吞吐量

其中為在功率ps下源節(jié)點可以達(dá)到的數(shù)據(jù)發(fā)送速率

若ru的能量閾值βu過低，會導(dǎo)致選擇的集合中出現(xiàn)很多中繼節(jié)點，但它們的發(fā)送功率低。而當(dāng)ru的能量閾值βu很大時，會使解碼集中的中繼節(jié)點較少，但它們的發(fā)送功率較高。而在中，標(biāo)量z與中繼節(jié)點的能量閾值βu成正比，因此可以推斷出應(yīng)該存在使網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化的z的最優(yōu)解。因為網(wǎng)絡(luò)的吞吐量跟中斷概率pout有關(guān)，要求最大化的網(wǎng)絡(luò)的吞吐量等價于去求最小化的pout，而pout又跟標(biāo)量z相關(guān)，對于在定義域(∈0λ,∈lλ]上z的取值，可以使用遺傳算法來得到最優(yōu)的z值，使得中斷概率pout最小。

遺傳算法的工作原理：

1.算法開始時創(chuàng)建一個隨機(jī)初始群體(種群個體在定義域(∈0λ,∈lλ]上取值)。

2.然后創(chuàng)建一個新的群體序列。在下面的每個步驟中，算法使用當(dāng)前世代中的個體來創(chuàng)建下一個群體。為了創(chuàng)建新的群體，算法執(zhí)行以下步驟：

a.為當(dāng)前總體的每個成員，通過適應(yīng)度函數(shù)(pout(z))來計算其適應(yīng)度得分。

b.縮放其適應(yīng)度得分得分，將其轉(zhuǎn)換為更有用的值范圍。

c.基于群體中的適應(yīng)度得分，選擇稱為父母的成員。

d.當(dāng)前群體中具有較低適應(yīng)度的一些個體被選為精英。這些精英個體被傳遞給下一個群體。

e.從父母生產(chǎn)孩子。通過對單個親本突變進(jìn)行隨機(jī)改變或通過組合一對親本交叉的向量條目來產(chǎn)生子代。

f.用孩子代替當(dāng)前群體以形成下一代種群。

3.當(dāng)滿足停止標(biāo)準(zhǔn)之一時，算法停止。

而考慮到能量閾值βu是離散化的變量，那么最優(yōu)的z就應(yīng)該在集合{∈1λ,∈2λ,…,cλ}中取值。由于馬氏鏈模型的復(fù)雜性，導(dǎo)出用于求出最優(yōu)z的算術(shù)表達(dá)式是非常困難的。但是，對于一定的網(wǎng)絡(luò)模型，可以利用之前導(dǎo)出的中斷概率表達(dá)式通過從執(zhí)行一維窮舉搜索來找到最佳的z值。