能量采集多中继协作通信系统的中继选择方法技术方案

本发明专利技术公开了一种能量采集多中继协作通信系统的中继选择方法，属于协作通信技术领域。包括步骤:系统场景分析，问题归结；系统数学模型建立；然后利用优化方法求出最优解。本发明专利技术针对特殊的应用场景，来源实际应用，区别与以往的多中继选择方法，考虑基于能量采集的多中继协作通信，并推导推导出该场景下的吞吐量的表达式，最大化通信节点之间的吞吐量性能，进行最优化问题的求解，具有现实的指导意义。本发明专利技术针对最优化问题的求解，采用凸优化处理，转化优化问题的目标函数，不经过近似计算，不影响问题的精度的同时极大的降低的计算复杂度，减少系统开销产生的时延，寻优过程采用拉格朗日乘子方法，寻优速度快，算法迭代过程中采用次梯度方法，并选用渐进步长，寻优更加精确。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于协作通信
，更具体地说，涉及一种能量采集多中继协作通信系统的中继选择方法。
技术介绍
1979年，Cover和Gamal在对中继信道的研究中，首次提到了协作通信(Cooperativecommunication)的模型。他们研究了有源、中继和目的三节点构成的AWFN中继通信网络模型的信道容量，其中的所有节点工作在相同的频段上，从而将系统划分成一个广播信道和一个多址信道。而后对协作通信的研究基本都以此为基础。协作通信与直接通信相比能提供空间分集增益,实现目标用户高速、高可靠性的数据传输。协作通信中的一个关键问题是如何分配和管理中继节点，单中继节点选取算法，尽管能提高系统性能，但是由于只采用一个中继节点，无法获得多个中继节点协作通信的“涌现”增益。虽然选取更多的中继节点可以获得更好的性能，但是随着中继节点数目的增加，带来的性能增益将减小，同时协作方案的设计、信号检测以及多址问题等的复杂度会增加，网络成本也会提高。归结起来，协作通信技术将成为第5代移动通信的关键技术之一，能够极大改善通信网络的性能，但同时也引出了几个函待解决的问题：1)第5代移动通信针对能耗的要求更加严格，如果能充分考虑可再生能源的利用，希望能在能量因果约束条件下最大化通信节点之间的吞吐量；2)为了达到更好的网络性能，需要充分发挥中继站的功能，选择最佳的中继，利用好空闲资源，最大化网络性能；3)迫切需要能够投入实际应用的关于无线传感网络资源分配的算法，强调算法的低复杂度、实时运算能力和高收敛速度。中国专利申请号201510282859.0，公开日2015年5月28日，公开了一份名称为一种协同中继选择方法，其包括以下步骤：利用目的用户与移动用户的地理距离以及所述目的用户与所述移动用户的协作概率计算所述目的用户与所述移动用户的综合距离度量值；计算所述目的用户的多个所述综合距离度量值，并选择最大的所述综合距离度量值对应的所述移动用户作为要建立协作关系的中继节点。该方法可提高中继选择的成功概率，降低中继选择的开销。中国专利申请号201510164751.1，公开日2015年4月8日，公开了一份名称为一种公平的协作中继选择方法，其包括：首先根据协作通信系统中各中继节点的供电来源，将协作通信系统分为三种情形，即协作通信系统中仅存在电池供电的中继节点、协作通信系统中仅存在电网供电的中继节点或协作通信系统中同时存在电池和电网供电的中继节点；然后根据不同的情况选择，采用不同的公式来选择中继节点来对数据进行中继转发。该方法兼顾了信号质量和中继节点负荷，有效保证中继选择公平性的同时提升系统的整体性能。中国专利申请号201510227055.0，公开日2015年5月6日，公开了一份名称为一种MIMO协作中继选择方法，其包括如下步骤：用MIMO信道容量、节点归一化发射功率、接收天线信噪比平衡度和MIMO信道相关度为模糊算法的输入；使用了两级模糊准则，第一级模糊准则用于描述MIMO信道容量、节点归一化发射功率与MIMO中继选择之间的关系，第二级模糊准则用于描述接收天线信噪比平衡度、MIMO信道相关度与MIMO中继选择之间的关系；将分别通过两级模糊准则输出的MIMO中继选择结果进行融合，从而确定所需的MIMO中继节点。该方法进一步提高了MIMO协作通信系统的性能，具有很好的灵活性和低实现复杂度。总的来说，申请号201510282859.0的公开材料考虑基于理想距离的中继选择，降低了系统开销，但是没有从用户角度着手，没有考虑用户吞吐量最优的情形。申请号201510164751.1的公开材料考虑基于多用户公平性的中继选择，但是没有考虑单用户多中继的选择情况。申请号201510227055.0的公开材料考虑MIMO情景下的中继选择，但是没有考虑算法复杂度和实时运算的要求。
技术实现思路
针对现有的协作通信系统中继选择方法未充分考虑能量采集因素带来的性能改善、能量因果限制条件下的联合中继选择、低复杂度算法实际应用等问题，本专利技术提出一种能量采集多中继协作通信系统的中继选择方法，在综合考虑能量因果限制条件下的联合中继选择，结合能量采集技术带来的节能方案，辅助低复杂度迭代算法，最大化通信用户间网络性能。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种能量采集多中继协作通信系统的中继选择方法，包括：步骤1：系统场景分析，问题归结；步骤1.1：信道模型建立；场景中有一个信号源S，M个能量采集的中继站Ri,i＝1,2,...,M和一个目标通信终端D，信号源S和目标通信终端D之间没有直达路径，中继站Ri选用放大转发工作方式，一个传输过程包括N个数据块，一个数据块的传输时间是TC,信号源S和中继Ri占用相等的带宽W，考虑该场景下的M个能量采集的中继站的选择问题，假设用于能量采集的电池容量足够大，除了用于传输消耗的能量忽略不计,针对第i个中继Ri，传输第j的数据块时的信道增益定义为其中表示传输第j个数据块时信号源S到中继站Ri的信道系数，表示转发第j个数据块时中继站Ri到目标通信终端D的信道系数,如果在传输第j个数据包时选中了第i个中继，端到端的SNR可以定义为：Λi,j=γi,jsγi,jdγi,js+γi,jd+1,]]>其中分别表示信号源S和目标通信终端D的信噪比，Ps和Ptr分别表示信号源S和中继站Relay的发射功率，N0表示归一化的噪声功率，进而获得相应的端到端的吞吐量：Ri,j＝log2(1+Λi,j)；步骤1.2：能量采集模型建立；定义成第i个中继截止到时刻t累计采集到的总能量，表示第i个中继在第j个数据包传输周期采集到的能量功率，TE表示能量采集的时间间隔，NC表示一个能量采集间隔里包含多少数据包的时间间隔，NE＝N/NC表示总的传输过程中能量到达的次数，整个传输周期可以表示成T＝NETE，瞬时的传输功率定义成P(t)，能量因果关系限制表示为：∫0tP(τ)dτ≤Ei,ΣEH(t);]]>步骤2：系统数学模型建立；当第j个数据块被传输时，如果我们选中第i个中继参与协作，xi,j＝1，否则xi,j＝0，在已知能量和信道状态下，最优化问题可以归结成：P1:maxxi,jR‾=1NΣi=1MΣj=1NRi,jxi,js.t.12PtrTCΣj=1lxi,j≤Ei,ΣEH(lTc),∀l∈J,i∈I,Σi=1Mxi,j≤1,∀j∈J,xi,j∈{0,1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量采集多中继协作通信系统的中继选择方法，其特征在于，包括：步骤1：系统场景分析，问题归结；步骤1.1：信道模型建立；场景中有一个信号源S，M个能量采集的中继站Ri,i＝1,2,...,M和一个目标通信终端D，信号源S和目标通信终端D之间没有直达路径，中继站Ri选用放大转发工作方式，一个传输过程包括N个数据块，一个数据块的传输时间是TC,信号源S和中继Ri占用相等的带宽W，考虑该场景下的M个能量采集的中继站的选择问题，假设用于能量采集的电池容量足够大，除了用于传输消耗的能量忽略不计,针对第i个中继Ri，传输第j的数据块时的信道增益定义为其中表示传输第j个数据块时信号源S到中继站Ri的信道系数，表示转发第j个数据块时中继站Ri到目标通信终端D的信道系数,如果在传输第j个数据包时选中了第i个中继，端到端的SNR可以定义为：Λi,j=γi,jsγi,jdγi,js+γi,jd+1,]]>其中分别表示信号源S和目标通信终端D的信噪比，Ps和Ptr分别表示信号源S和中继站Relay的发射功率，N0表示归一化的噪声功率，进而获得相应的端到端的吞吐量：Ri,j＝log2(1+Λi,j)；步骤1.2：能量采集模型建立；定义成第i个中继截止到时刻t累计采集到的总能量，表示第i个中继在第j个数据包传输周期采集到的能量功率，TE表示能量采集的时间间隔，NC表示一个能量采集间隔里包含多少数据包的时间间隔，NE＝N/NC表示总的传输过程中能量到达的次数，整个传输周期可以表示成T＝NETE，瞬时的传输功率定义成P(t)，能量因果关系限制表示为：∫0tP(τ)dτ≤Ei,ΣEH(t);]]>步骤2：系统数学模型建立；当第j个数据块被传输时，如果我们选中第i个中继参与协作，xi,j＝1，否则xi,j＝0，在已知能量和信道状态下，最优化问题可以归结成：P1:maxxi,jR‾=1NΣi=1MΣj=1NRi,jxi,js.t.12PtrTCΣj=1lxi,j≤Ei,ΣEH(lTc),∀l∈J,i∈I,Σi=1Mxi,j≤1,∀j∈J,xi,j∈{0,1},J={1,...,N},I={1,...,M}.;]]>步骤3：优化问题的凸优化处理；针对任意一个传输包j，k≤j≤N如果给定相应的中继选择结果，同时也准确或者信道的状态信息，那么吞吐量表达式是由此发现，中继选择因子xi,j是关键，再写出针对第j个数据包的平均吞吐量表达式其中表示第i个中继的平均吞吐量；进一步转化目标函数如下：R‾(k)=1N-k+1(Σi=1MRi,kxi,k+Σj=k+1NR‾ave,j)=1N-k+1(Σi=1MRi,kxi,k+Σi=0MR‾iri)]]>其中表示从第k个数据包开始直至传输结束，第i个中继被选中的平均次数，从而最优化问题P1可以转换成P2：P2:maxxi,jR‾(k)=1N-k+1(Σi=1MRi,kxi,k+Σi=0MR‾iri)s.t.12PtrTCΣj=1lxi,j≤Ei,ΣEH(lTc),∀l∈J,i∈I,Σi=1Mxi,j≤1,∀j∈J,xi,j∈{0,1},J={1,...,N},I={1,...,M}.;]]>步骤4：求解第i个中继被选中的平均次数ri；在获知ESI能量采集曲线的情况下，基于针对所有中继的EH曲线，可以分别求出每个中继在一个连续的传输周期内被选中的平均次步骤5:利用相对吞吐量增益进行中继选择；定义其中表示中继i1被选中的平均吞吐量，表示中继i2被选中的平均吞吐量，ΔRi,k表示中继i的相对吞吐量增益，从而获得中继的选择策略集如下：Kk=argmaxi{ΔRi,k|12PtrTCΣj=1lxi,j≤Ei,ΣEH(lTc),∀l∈J,i∈I,Σi=1Mxi,j≤1,∀j∈J,xi,j∈{0,1},J={1,...,N},I={1,...,M}.}]]>并由此作出最佳的中级选择。...

【技术特征摘要】
1.一种能量采集多中继协作通信系统的中继选择方法，其特征在于，包括：步骤1：系统场景分析，问题归结；步骤1.1：信道模型建立；场景中有一个信号源S，M个能量采集的中继站Ri,i＝1,2,...,M和一个目标通信终端D，信号源S和目标通信终端D之间没有直达路径，中继站Ri选用放大转发工作方式，一个传输过程包括N个数据块，一个数据块的传输时间是TC,信号源S和中继Ri占用相等的带宽W，考虑该场景下的M个能量采集的中继站的选择问题，假设用于能量采集的电池容量足够大，除了用于传输消耗的能量忽略不计,针对第i个中继Ri，传输第j的数据块时的信道增益定义为其中表示传输第j个数据块时信号源S到中继站Ri的信道系数，表示转发第j个数据块时中继站Ri到目标通信终端D的信道系数,如果在传输第j个数据包时选中了第i个中继，端到端的SNR可以定义为：Λi,j=γi,jsγi,jdγi,js+γi,jd+1,]]>其中分别表示信号源S和目标通信终端D的信噪比，Ps和Ptr分别表示信号源S和中继站Relay的发射功率，N0表示归一化的噪声功率，进而获得相应的端到端的吞吐量：R...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁广俊，
申请(专利权)人：梁广俊，
类型：发明
国别省市：安徽;34