最优中继选择方法和装置与流程

本发明涉及协作通信技术领域，具体而言，涉及一种最优中继选择方法和装置。

背景技术：

经发明人研究发现，现有的无线能量收集型中继网络(energyharvestingcooperativenetworks，简称ehcn)通常采用max-min准则进行中继选择，但是，maxmin中继选择算法的问题在于，固定的能量收集/信息传输功率分配比可能导致部分中继节点由于信道深度衰落而使译码能量过低，引起源节点s到中继节点r之间的链路中断，进而导致全局的中断概率大幅提高，因此，如何解决这一技术问题成为本领域技术人员的研究热点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种最优中继选择方法和装置，基于动态功率分配实现最优中继的选择，能够有效降低全局中断概率，提高无线能量收集型的中继传输系统的通信性能。

本发明较佳实施例提供一种最优中继选择方法，应用于无线能量收集型的中继传输系统，所述中继传输系统包括源节点、目的节点和多个中继节点，所述方法包括：

针对每个中继节点，计算该中继节点上的功率分配系数；

根据所述功率分配系数对所述中继节点接收到的来自源节点的功率进行分配以使得所述中继节点进行译码；

获取多个所述中继节点的译码结果；

判断所述译码结果是否正确，若正确，则将该译码结果对应的中继节点保存至集合中；

选取所述集合中的中继节点到目的节点的链路信噪比最大的中继节点作为最优中继以进行信息转发。

进一步地，所述计算该中继节点用于译码功率分配的功率分配系数的步骤包括：

计算所述中继节点上用于信息译码的目标速率v，

根据所述目标速率v计算功率分配系数ρi，

其中，ps为源节点s的发射功率，hi为源节点s到中继节点ri的瞬时信道增益，为源节点s到中继节点ri的距离，α为路径损耗指数，为信号处理噪声功率，为中继节点的接收天线噪声功率，τ＝2^2v-1。

进一步地，所述功率分配系数ρi的取值范围为0<ρi≤1。

进一步地，选取所述集合中的中继节点到目的节点的链路信噪比最大的中继节点作为最优中继以进行信息转发的步骤包括：

分别计算所述集合中的多个中继节点到目的节点的链路信噪比

将多个所述信噪比进行对比、分析以得到最大信噪比；

选取所述最大信噪比对应的中继节点并设置为最优中继。

进一步地，所述分别计算所述集合中的多个中继节点到目的节点的链路信噪比的步骤可以是：

其中，η为能量转化效率，gi是中继节点ri和目的节点d之间的信道衰落系数，是目的节点d的天线引入的噪声功率。

本发明较佳实施例还提供一种最优中继选择装置，应用于无线能量收集型的中继传输系统，所述中继传输系统包括源节点、目的节点和多个中继节点，包括：

系数计算模块，用于针对每个中继节点，计算该中继节点上的功率分配系数；

功率分配模块，用于根据所述功率分配系数对所述中继节点接收到的来自源节点的功率进行分配以使得所述中继节点进行译码；

获取模块，用于获取多个所述中继节点的译码结果；

判断模块，用于判断所述译码结果是否正确，若正确，则将该译码结果对应的中继节点保存至集合中；

中继选择模块，用于选取所述集合中的中继节点到目的节点的链路信噪比最大的中继节点作为最优中继以进行信息转发。

进一步地，所述系数计算模块包括：

速率计算单元，用于计算所述中继节点上用于信息译码的目标速率v，

系数计算单元，用于根据所述目标速率v计算功率分配系数ρi，

其中，ps为源节点s的发射功率，hi为源节点s到中继节点ri的瞬时信道增益，为源节点s到中继节点ri的距离，α为路径损耗指数，为信号处理噪声功率，为中继节点的接收天线噪声功率，τ＝2^2v-1。

进一步地，所述功率分配系数ρi的取值范围为0<ρi≤1。

进一步地，所述中继选择模块包括：

信噪比计算单元，用于分别计算所述集合中的多个中继节点到目的节点的链路信噪比

比较单元，用于将多个所述信噪比进行对比、分析以得到最大信噪比；

选取单元，用于选取所述最大信噪比对应的中继节点并设置为最优中继。

进一步地，所述信噪比可以是：

其中，η为能量转化效率，gi是中继节点ri和目的节点d之间的信道衰落系数，是目的节点d的天线引入的噪声功率。

本发明实施例提供的最优中继选择方法和装置，应用于无线能量收集型的中继传输系统，该方法基于中继节点功率的动态分配实现最优中继选择，能够有效提高中继传输系统的通信性能和能量利用效率，降低全局中断概率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的最优中继选择装置的应用场景示意图。

图2为本发明实施例提供的无线能量收集型的中继传输系统的网络模型。

图3为本发明实施例提供的最优中继选择方法的流程示意图。

图4为采用不同中继选择方法的中继传输系统的通信性能仿真示意图。

图5为本发明实施例提供的最优中继选择装置的方框结构示意图。

图6为图5中所示的系数计算模块的单元结构示意图。

图7为图5中所示的中继选择模块的单元结构示意图。

图标：10-中继传输系统；100-最优中继选择装置；102-系数计算模块；1021-速率计算单元；1023-系数计算单元；104-功率分配模块；106-获取模块；108-判断模块；110-中继选择模块；1101-信噪比计算单元；1103-比较单元；1105-选取单元；200-存储器；300-存储控制器；400-处理器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

请参阅图1，为本发明实施例提供的无线能量收集型的中继传输系统10的方框结构示意图。其中，所述中继传输系统10包括最优中继选择装置100、存储器200、存储控制器300以及处理器400。应注意，本发明中所提到的中继传输系统10均为无线能量收集型的携能中继系统。

其中，所述存储器200、存储控制器300、处理器400各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件之间通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述最优中继选择装置100包括至少一个可以软件或固件的形式存储于所述存储器200中或固化在所述中继传输系统10的操作系统中的软件功能模块。所述处理器400在所述存储控制器300的控制下访问所述存储器200，以用于执行所述存储器200中存储的可执行模块，例如所述最优中继选择装置100所包括的软件功能模块及计算机程序等。

请结合参阅图2，在实际实施时，所述无线能量收集型的中继传输系统10包括源节点s、多个中继节点ri和目的节点d。假设由于信道衰落和阴影的影响，源节点s和目的节点d之间不能直接传输信息，在源节点s和目的节点d之间存在n个能量采集型的中继节点{r1,r2…rn}。假设所有中继节点都没有装备供电设施，仅通过天线采集s发出的信息能量来储备电能。其中，所有节点之间的信道h1,h2…hn和g1,g2…gn服从独立非同分布瑞利衰落。具体地，在本实施例中，所述中继传输系统10满足以下条件：

(1)源节点s和目的节点d之间无直传链路；

(2)中继节点ri采取df模式，动态功率分配(dps)接收机结构，第i个中继节点上的功率分配系数为ρi；

(3)所有信道服从独立非同分布瑞利衰落。

本实施例中，假设完成源节点s到目的节点d的信号传输需要时间t，那么，将整个信号传输过程可以分为第一阶段(s-ri)和第二阶段(ri-d)，且在不同的传输阶段涉及到的能量采集方式如下表所示。

第一阶段：源节点s广播信号给所有中继节点ri，中继ri将接收信号分为两部分，其中，部分用于将接收信号转发给目的节点d，部分用于信息译码。其中，所述中继节点ri采用译码转发方式(df)工作，在第一阶段(时隙)将接收信号上携带的能量中的一部分用于译码，另一部分转化为电能以进行第二阶段的信息转发，且假设每一次传输都用尽所有能量。

第二阶段：中继节点ri利用第一阶段采集到的能量将接收信号转发给d。其中，中继节点ri的发送功率为：

其中，η为能量转化效率，则目的节点d从中继节点ri上接收到的信号为：

其中，gi是ri和d之间的信道衰落系数，是目的节点d的天线引入的噪声,是重新编码的信号，目的节点d上的信噪比是：

进一步地，基于上述无线能量收集型的中继传输系统10的描述，如图3所示，本发明实施例提供一种可应用于所述中继传输系统10的最优中继选择方法，下面将对图3所示的具体流程进行详细阐述。所应说明的是，本发明所述的最优中继选择方法并不以图3以及以下所述的具体顺序为限制。应当理解，本发明所述的最优中继选择其中部分步骤的顺序可以根据实际需要相互交换，或者其中的部分步骤也可以省略或删除。

步骤102，针对每个中继节点，计算该中继节点上的功率分配系数。

在本实施例中，首先应保证中继节点ri可以正确的译码信息，然后剩余的功率用于能量采集，由此来确定功率分配比ρi的取值。具体地，假设中继节点ri上用于译码信息的目标速率为v，那么，所述目标速率为v可以表示为：

再根据所述目标速率v计算功率分配系数ρi(功分比)可以得到：

其中，ps为源节点s的发射功率，hi为源节点s到中继节点ri的瞬时信道增益，为源节点s到中继节点ri的距离，α为路径损耗指数，为信号处理噪声功率，为中继节点的接收天线噪声功率，τ＝2^2v-1。

应注意，所述功率分配系数ρi的取值范围为0<ρi≤1，其中，若所述功率分配系数ρi大于1，则ρi按照1进行计算。

步骤104，根据所述功率分配系数对所述中继节点接收到的来自源节点的功率进行分配以使得所述中继节点进行译码。

步骤106，获取多个所述中继节点的译码结果。

本实施例中，在根据所述步骤s102得到所述功率分配系数ρi后，所述中继节点ri对接收到的来自源节点s的携能信号上的功率进行划分，以使得所述中继节点ri通过自身接收到的能量进行译码，并在所有中继节点ri完成译码操作后，将译码结果进行统计、分析。

步骤108，判断所述译码结果是否正确，若正确，则将该译码结果对应的中继节点保存至集合中。

本实施例中，根据所述中继节点ri的译码结果，将成功译码信源信息的中继节点ri放入集合u中，该集合u可表示为：

应注意，在进行最优中中继选择时，被选择的中继节点ri均是能够完成信源信息译码且译码结果正确的中继节点。

步骤110，选取所述集合中的中继节点到目的节点的链路信噪比最大的中继节点作为最优中继以进行信息转发。

本实施例中，在完成集合u的创建后，需从该集合u中选择出能够使得中继节点ri到目的节点d的链路瞬时速率最大的中继，具体选择过程如下。

(1)计算所述集合u中的多个中继节点分别对应的信噪比具体地，本实施例中，请结合式(3)和式(5)，计算中继节点ri上的所述信噪比该信噪比可以表示为：

(2)将所述集合u中的多个中继节点ri对应的信噪比进行对比、分析以得到最大信噪比，即最优中继对应的信噪比可以表示为：

(3)选取所述最大信噪比对应的中继节点ri，并设置为最优中继。

应注意，所有中继节点ri在进行信号传输前，首先广播其前向信道的瞬时信噪比值(如采用tdma、cdma等方式进行)，并进行比较，所述集合u中信噪比高者即获得信息转发权，其余中继节点保持静默。

需要说明的是，在本实施例中，在完成步骤s108后，如果不再比较前向信噪比而直接让集合u中所有的中继节点ri同时转发信息给目标节点d也是可以实现的。其中，采用该方案的优点是算法更简单，通信开销小。缺点是对定时同步误差敏感，稳定性差，且能量效率低。

进一步地，基于上述最优中继选择方法的描述，本实施例还给出了在所述中继传输系统10中采用该最优中继选择方法的网络性能仿真结果。其中，在本实施例中，以中断概率pout为例，所述中断概率pout可以表示为：

其中，n表示集合u中的中继个数。

具体地，请参阅图4，为采用不同中继选择方案时，所述中继传输系统10中的中断概率性能仿真结果示意图。其中，线型ⅰ代表本实施例给出的基于动态功率分配的最优中继选择方法，线型ⅱ代表现有技术中的maxmin中继选择算法。从图4中可以看出，本实施例给出的基于动态功率分配的最优中继选择方法中，随着源节点发射功率的增大，全局网络中的中断概率pout显著降低，网络性能改善明显。

进一步地，如图5所示，为本实施例提供的最优中继选择装置100的方框结构示意图，其中，所述最优中继选择装置100包括系数计算模块102、功率分配模块104、获取模块106、判断模块108和中继选择模块110。

所述系数计算模块102，用于针对每个中继节点，计算该中继节点上的功率分配系数。

本实施例中，图3中的步骤s102由所述系数计算模块102执行，具体过程请参考步骤s102，在此不再赘述。可选地，实际实施时，如图6所示，所述系数计算模块102包括速率计算单元1021和系数计算单元1023。

所述速率计算单元1021，用于计算所述中继节点上用于信息译码的目标速率r，

所述系数计算单元1023，用于根据所述目标速率计算功率分配系数ρi，

所述功率分配模块104，用于根据所述功率分配系数对所述中继节点接收到的来自源节点的功率进行分配以使得所述中继节点进行译码。

本实施例中，本实施例中，图3中的步骤s104由所述功率分配模块104执行，具体过程请参考步骤s104，在此不再赘述。

所述获取模块106，用于获取多个所述中继节点的译码结果。

本实施例中，本实施例中，图3中的步骤s106由所述获取模块106执行，具体过程请参考步骤s106，在此不再赘述。

所述判断模块108，用于判断所述译码结果是否正确，若正确，则将该译码结果对应的中继节点保存至集合中。

本实施例中，本实施例中，图3中的步骤s108由所述判断模块108执行，具体过程请参考步骤s108，在此不再赘述。

所述中继选择模块110，用于选取所述集合中的中继节点到目的节点的链路信噪比最大的中继节点作为最优中继以进行信息转发。

本实施例中，图3中的步骤s110由所述中继选择模块110执行，具体过程请参考步骤s110，在此不再赘述。具体地，如图7所示，所述中继选择模块110包括信噪比计算单元1101、比较单元1103和选取单元1105。

所述信噪比计算单元1101，用于分别计算所述集合中的多个中继节点到目的节点的链路信噪比

所述比较单元1103，用于将多个所述信噪比进行对比、分析以得到最大信噪比。

所述选取单元1105，用于选取所述最大信噪比对应的中继节点并设置为最优中继。

综上所述，本发明提供的最优中继选择方法和装置，应用于无线能量收集型的中继传输系统10，该方法基于中继节点功率的动态分配实现最优中继选择，能够有效提高中继传输系统10的通信性能和能量利用效率，降低全局中断概率。

在本发明的描述中，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其他方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的预设数量个实施例的装置、方法和计算机程序产品可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分。所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或预设数量个用于实现规定的逻辑功能。

也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。