一种无线供能多跳通信系统节点选择方法与流程

本发明属于无线供能通信技术领域，具体涉及一种无线供能多跳通信系统节点选择方法。

背景技术：

在能量受限的网络中，无线供能通信技术作为一项具有前景的技术来解决系统的电量问题。尤其考虑在大规模网络中对电池更换或者逐一进行充电不太现实，以及在有毒环境及一些人体植入设备或者建筑物内安装的设备的场景下，人工更换电池难以实现。利用无线充电对设备充电可以很好避免上述存在的问题。基于无线通信网络中更高的传输速率，更广的覆盖范围以及低功耗等条件的要求，对多跳系统的研究变得十分重要。利用多跳系统可以很好的提高系统性能和覆盖范围。尤其考虑到在大规模电量受限的网络中，传感器节点的电量严重影响了系统性能。再考虑到传感器网络中节点与周围节点具有地理位置相近以及传输信息相同的特点，让多个节点协同传输信息能更好的提高系统性能。

在大规模的物联网中，设备的电池电量关乎整个网络的寿命问题。要维持网络寿命，经常对电池进行充电或者更换电池，但在一些场景中，更换电池或者充电就变得不切实际，比如说在大规模网络中、地下管道以及有毒的环境中，就无法做到更换电池和充电。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种无线供能多跳通信系统节点选择方法，采用变功率发送信息，把收集到的能量都用于信息传输，达到无线收集能量的最大化利用。

本发明采用以下技术方案：

一种无线供能多跳通信系统节点选择方法，信号源、中继和接收端均由k个节点组成的，信号源s和中继r中的节点从环境射频源收集能量工作；在信号源s处，所有节点先收集能量，然后选择节点，最后传输信息，信号源s中选择出收集能量最大的节点ss发送信息；中继r处，如果有信息需要转发，则从环境射频源收集能量工作，然后选择出节点作为中继转发信息，中继采用df模式，接收到信息后先译码后转发信息给接收端，从中继r中所有译码正确的节点中选择出收集能量最大的节点rs转发信息给接收端；在接收端d处，选择出接收信干噪比最大的节点接收信息；同时，考虑系统中存在同频的干扰信号，把干扰信号建模成泊松点过程，将同簇内节点的干扰作为相关事件，不同簇之间的干扰作为独立事件。

具体的，包括以下步骤：

s1、在一个时隙t内，分为信号源s工作过程和中继r工作过程，两个过程分别占用的时长，信号源s工作过程和中继r工作过程均包括能量收集过程与信息传输过程，在htt模式下，先收集能量后发送信息，收集能量时长为相应的信息传输时长为

s2、从信号源s中找出收集能量最大的节点ss，也就是输入射频功率最大的点，计算概率密度函数；从译码正确的节点中选择出收集能量最大的节点rs作为系统中继r，并计算概率密度函数；从接收端d接收的信息中选择出接收信干噪比最大的节点作为整个系统的接收机ds。

进一步的，步骤s1具体为：

s101、若信号源s有信息发送，则信号源s从环境射频源中收集能量，信号源s收集能量以后，从信号源s中所有节点选择出收集能量最大的节点作为系统发送源，选择出的节点记为ss；

s102、信号源s以功率ps发送信息给中继r，中继r中的每个节点接收信息，同时，中继r收到环境中位置服从泊松点过程的干扰信号，如果中继r处不发生中断，中继r从译码正确的节点中选择出收集能量最大的节点转发信息给接收端d。

更进一步的，步骤s101中，s中选择出的节点ss的发送功率为：

其中，η为能量转化效率，p0为信号源s处选择出的节点收集到的能量；

s中的任意一个节点i的输入射频功率为：

其中，x为信号源s的能量源φs的位置，ppb为信号源s的能量源φs的发送功率；为信号源s的pb到信号源s中的第i个节点的信道增益，对于不同的i来说，是独立同分布的单位指数随机变量，即gyi～exp(1)；β为能量传输阶段的路径损耗系数。

更进一步的，步骤s102中，r中的第j个节点收到的信号为：

其中，为发送源ss到中继r中第j个节点的信道；nj为r处第j个接收机处的均值为0，方差为n0的高斯白噪声；为中继r的干扰源到中继r中第j个节点的信道；d为多跳间的距离；α为信息传输阶段的路径损耗系数；s为ss发送给中继r的信号，功率为1；pi为中继r的干扰源功率；

中继r中的第j个节点处的收到信干噪比为：

其中，为发送源到中继r中第j个节点的信道增益，是独立同分布的单位指数随机变量，即ij为r中第j个节点收到的干扰功率；

信号源s发送信息给中继r的信息中断概率为：

在d处的第k个节点处，接收到的信息为：

其中，pr为rs的发送功率；pⅱ为接收端d处的干扰信号的发送功率；为rs到接收端d处第k个节点的信道；为干扰信号到接收端d处第k个节点的信道；nk为接收端d处第k个接收机处的均值为0，方差为n0的高斯白噪声；

d处第k个节点的信干噪比：

其中，为中继rs到d中第k个节点的信道增益，是独立同分布的单位指数随机变量，即pr为中继rs的发送功率；为r中第j个节点收到的干扰功率。

进一步的，s中收集能量最大的节点ss的输入射频功率p0为：

输入射频功率p0的概率密度函数为：

其中，nb为gamma伪随机变量的参数，β为能量传输阶段的路径损耗系数，ppb为环境射频源的发送功率，λpb为环境射频源的密度。

进一步的，先计算r中有m个节点译码正确的概率pm，1≤m≤k，具体为：

从m个译码正确的节点中选出收集能量最大的节点，收集到的能量为pm，r中选择出的节点的发送功率pr与收集到的能量关系如下：：

其中，为rs的输入射频功率。

更进一步的，计算rs的输入射频功率分布，的累积分布函数为：

的概率密度函数为：

进一步的，接收端d的信干噪比为：

当ds的信干噪比低于门限值时，发生中断，第二阶段的中断概率为：

其中，λii为接收端d处的干扰信号的密度，γth为信干噪比门限，n0为噪声功率，α为，γ(k)为gamma函数。

进一步的，利用随机几何工具对系统性能进行分析，系统的中断概率p^out表示为：

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种无线供能多跳通信系统节点选择方法，对于从环境射频源收集能量的多跳系统，在信号源不知道后向信道的情况下，对于信号源，中继和目的接收段采用不同的节点选择方案，尽可能减少系统的中断概率。

进一步的，节点都是从环境射频源收集能量的，不需要配备专门的电源，有利于维持系统的寿命，提高能量受限系统的稳定性。

进一步的，节点工作在htt模式后，整个系统分为两个阶段，能量收集阶段和信息传输阶段，只有完成能量收集后才能进行信息传输。是第一阶段信息传输过程。

综上所述，本发明针对无线供能多跳系统提供了一种节点选择方案，提高了系统性能，减小了系统中断概率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为无线供能多跳系统模型图；

图2为中继系统的传输过程图；

图3为系统中断概率随pb的发送功率大小变化的曲线；

图4为系统中断概率随簇内节点个数变化的曲线；

图5为系统中断随信干噪比门限变化的曲线；

图6为系统中断概率随pb的密度变化的曲线；

图7为系统中断概率随干扰信号功率变化的曲线；

图8为系统中断概率随干扰信号的密度变化的曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种无线供能多跳通信系统节点选择方法，在信号源处，选择出收集能量最大的点发送信息；在译码转发的中继处，从译码正确的节点中选择出收集能量最大的节点作为中继转发信息；在接收端，选择出接收信干噪比最大的节点接收信息。同时，考虑系统中存在同频的干扰信号，把干扰信号建模成泊松点过程，并且把同簇内的节点的干扰看成相关事件，不同簇之间的干扰看成独立事件；利用随机几何工具对系统性能进行分析。

请参阅图1，考虑一个由簇组成的两跳无线供能通信系统，其中，信号源s，中继r和接收端d是由k个节点在很小的范围内组成的簇。该多跳系统是从环境射频源收集能量进行工作的。信号源s与目的接收端d较远，信号源s通过中继r转发信息给接收端d，信号源s和接收端d之间没有直传链路；中继r采用半双工的df中继转发模式，即中继r先译码出s的信号后再转发给接收端d；信号源s和中继r是从环境射频源中收集能量来工作的，对于信号源s和中继r，需要发送信息的时候才会收集能量，其他时候都保持静默状态。信号源s和中继r分别从两个独立的泊松点过程的环境射频源收集能量，这两个点过程记为φs和φr。多跳系统工作时，信号源s先从φs收集能量，然后从信号源s中选择出收集能量最大的节点作为发送源发送信息给中继r中的每个节点。中继r除了从信号源s中接收信息，还会收到位置服从泊松点过程的干扰信号，记为φ1，当中继r中有节点译码正确后，中继r就要从φr中收集能量转发信息，否则系统中断且中继r不需要收集能量。当中继r中有多个节点译码正确后，从译码正确的节点中选择出收集能量最大的节点作为系统中继，转发信息给信号源d。信号源d收到中继r转发的信息后，同样的也会收到位置服从泊松点过程的干扰信号，记为φ2。图中所有的节点都配备的是单天线。

本发明一种无线供能多跳通信系统节点选择方法，包括以下步骤：

s1、能量收集信息传输过程；

请参阅图2，在一个时隙t内，包括信号源s工作过程和中继r工作过程，两个过程分别占用的时长，信号源s工作过程和中继r工作过程均包括能量收集过程与信息传输过程，对于信号源s和中继r，都是工作在htt(harvest-then-transform)模式下的，先收集能量后发送信息，收集能量的时长为相应的信息传输的时长为

s101、若s有信息发送，则s从环境射频源中收集能量；那么，s中的任意一个节点i的输入射频功率为：

其中，x为s的能量源φs的位置，ppb为s的能量源φs的发送功率；为s的pb到s中的第i个节点的信道增益，对于不同的i来说，是独立同分布的单位指数随机变量，即gyi～exp(1)；β为能量传输阶段的路径损耗系数。

s收集能量以后，从s中所有节点选择出收集能量最大的节点作为系统发送源，选择出的节点记为ss，用p0表示ss的输入射频功率，那么s中选择出的节点ss的发送功率为：

其中，η为能量转化效率。

s102、信息传输由两个阶段组成，在第一阶段，s发送信息给r；第二阶段是r发送信息给d。在第一阶段中，s以功率ps发送信息给中继r，中继r中的每个节点都接收信息。同时，r还会收到环境中位置服从泊松点过程的干扰信号，干扰信号的集合是φ1，密度为λ1。

r中的第j个节点收到的信号为：

其中，为发送源ss到r中第j个节点的信道；nj为r第j个接收机处的均值为0，方差为n0的高斯白噪声；为r的干扰源到r中第j个节点的信道；d为多跳间的距离；α为信息传输阶段的路径损耗系数；s为ss发送给r的信号，功率为1；pi为r的干扰源功率。

r中的第j个节点处的收到信干噪比为：

其中，为发送源到r中第j个节点的信道增益，对于不同的j来说，是独立同分布的单位指数随机变量，即ij为r中第j个节点收到的干扰功率，

在这里认为接收信噪比大于门限值就译码正确。对于r来说，先对信号进行译码，后转发信息。若要r译码出错，那么r处所有的节点都译码错误，也就是说，所有节点的接收信噪比都低于门限值。所以第一阶段信息中断概率为：

其中，γ为信干噪比门限。

考虑到r中不同的节点的干扰来自同一个干扰，具有相关性，在计算的时候不能把每个节点看成独立节点。把5代入6中，

由于之间互相独立，令则

其中，i∑(j)为k个干扰中选出任意j个干扰的和；以及

其中，g∑(j)为k个符合指数分布的独立同分布的变量中任意选出j个变量的和，服从erlang分布。那么就有

根据泊松点过程的概率母函数以及campbell定理，以及把9代入8式，

把10代入7，就可以得到第一阶段的信息中断

如果r处不发生中断，那么r就会从译码正确的节点中选择出收集能量最大的节点转发信息给接收端d。假设rs是从r中选择出的节点，作为系统中继转发信息。d除了收到r转发的信息，还会收到一个位置服从泊松点过程的干扰信号，用φ2表示d处的干扰信号的集合。那么在d处的第k个节点处，接收到的信息为：

其中，pr为rs的发送功率；pⅱ为d处的干扰信号的发送功率；为rs到d处第k个节点的信道；为干扰信号到d处第k个节点的信道；nk为d第k个接收机处的均值为0，方差为n0的高斯白噪声。

由此得到d处第k个节点的信干噪比：

其中，为中继rs到d中第k个节点的信道增益，对于不同的k来说，是独立同分布的单位指数随机变量，即pr为中继rs的发送功率；为r中第j个节点收到的干扰功率，

s2、用户选择

s201、对于s，从s中找出收集能量最大的节点ss，也就是输入射频功率最大的点。

由此得到ss的输入射频功率为：

接着计算p0的概率密度函数和累积分布函数，p0的累积分布函数计算如下:

把式1代入式15中，同时考虑到s中的每一个节点的能量都来自同一个泊松点过程，各节点之间的能量具有相关性，对式15做以下处理：

引入一个伪随机变量u来代替上式中的常数1。

其中，是伽马函数，n是参数。由于n→∞时，u收敛于1。又由于对于参数为n的伽马随机变量u来说，若x＞0，则：

pr{u＜x}＜(1-e^-ax)ⁿ(17)

其中，

然后得到：

其中，

用近似值替代p0的累积分布函数表示如下：

对上式进行求导就可以得到p0的概率密度函数：

得到ps的概率密度函数和累积分布函数在这里就不再赘述。

s202、对于r来说，节点选择策略是从译码正确的节点中选择出收集能量最大的节点rs作为系统中继。先求出r中有m个节点译码正确的概率(1≤m≤k)：

pm＝pr{sinr1＞γ,sinr2＞γ,...,sinrm＞γ,sinrm+1＜γ,...,sinrk＜γ}(22)

上式中，

接下来计算类似，则：

然后从m个译码正确的节点中选出收集能量最大的节点，计算出rs的输入射频功率的分布。

计算过程与求p0的分布类似。得到的累积分布函数为：

的概率密度函数为：

由于pr与的关系如下，很容易得到pr的概率密度函数和累积分布函数在这里不再赘述。

s203、d接收到信息后，从中选择出接收信干噪比最大的节点作为整个系统的接收机，记为ds。

系统在信息传输的第二阶段的信干噪比为：

当ds的信干噪比低于门限值时，第二阶段发生中断，也就是说第二阶段的信息中断为：

d处最大的信干噪比小于门限值，意味着d处的每一个节点的信干噪比都低于门限。式29表示成：

其中，λii为接收端d处的干扰信号的密度。

为方便计算，取pⅱ＝pi，λii＝λi。

s3、中断概率分析

系统发生中断的情况是第一阶段中断或者第一阶段未中断，但第二阶段中断。因此，系统的中断概率表示为：

在之前的计算中，把ps和pr当做常数来进行计算的，因此，最后得到的中断概率是对上式求期望得到，即

根据之前的计算结果，把pm，和代入上式，便可得到系统的中断概率。

设置能量信标为多跳系统供电，解决节点能量受限的问题。该多跳系统中的节点与周围的节点成簇构成多跳系统，其中能量信标的位置建模成最常用的泊松点过程。成簇结构带来了之前很少考虑的问题，即簇内节点之间的相关性。通常在无线供能通信网络中，主要采用固定功率发送信息，也就是说当收集到的能量超过一定的门限值后，就用固定功率发送信息。但在实际中，无线能量传输的转化率很低，通常只能收到毫瓦级别的能量，对这些能量采用固定功率发送时，就会导致把本就很少的能量浪费掉，因此采用变功率发送信息，把收集到的能量都用于信息传输，达到无线收集能量的最大化利用。

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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过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。

系统参数设置对系统性能的影响：

1)pb的密度λpb：

当pb的密度较小时，系统的中断概率较大。因为s和r中的节点在收集能量的时候收集到的能量的平均值就比较小，从而导致s和r中的节点的发送功率比较小，那么r中译码正确的节点的个数也会减小，进一步导致r的发送功率降低，使得系统中断概率增加。随着pb密度的增加，系统的中断概率就会降低。

2)簇内节点的个数k：

当簇内节点个数较大时，系统的中断概率就比较小。随着簇内节点个数的减小，系统的中断概率就会增加。这是因为在能量收集阶段，簇内节点个数越多，簇内节点收集到的能量最大值的平均值就会越大，会导致系统中断概率降低。同时在传输信息时，簇内节点个数越多，意味着信息接收机越多，增加了系统的分集增益，也会降低系统的中断概率。因此，系统的中断概率随着簇内节点的个数增加而降低。

3)信干噪比门限r：

当系统的信干噪门限比较小时，系统的中断概率也较小。随着信干噪比门限的增加，系统的中断概率也会随着增加。这是因为在信息传输阶段，在发送源到中继的传输过程中，信干噪比门限的增加，意味着译码正确的概率就会降低，中继部分译码正确的节点个数就会减小。当中继中译码正确的节点个数减小时，中继中译码正确的节点中收集能量的最大值的平均值也会减小。那么在中继到接收端的传输过程中，发送功率减小同时信干噪比的门限也增加，系统的中断概率就会增加。因此，系统的中断概率随着信干噪比的门限额增加而增加。

4)干扰信号的密度λi：

当干扰信号的密度较小时，系统的中断概率也较小。随着干扰信号的密度增加，系统的中断概率随着增加。这是因为干扰信号的密度增加时，r处的节点和d处的节点收到的干扰功率增加，导致信干噪比降低，从而导致系统中断概率增加。同时，r处的信干噪比减小，也会导致r处译码正确的节点个数减少，译码正确的节点个数减小时，译码正确的节点中收集到的能量的最大值的平均值会相对减小，从而加速信息中断概率的减小。

仿真参数如表1所示：

表1仿真参数列表

请参阅图3，给出了系统的中断概率与pb的发送功率的变化曲线，其中pb的密度为10^-3个/m²，信干噪比门限为1，簇内节点的个数为10。从图3可以看出，对于不同的pb的发送功率来说，中断概率的理论值与仿真值互相吻合，证明了我们之前的分析是正确的。

从图3可以看出，随着pb的发送功率的增加，系统的中断概率降低。这是由于pb的发送概率增加时，直接导致了收集能量时的输入射频信号的功率增加，从而导致s和r的发送功率的平均值的增加，以及r处译码正确的个数的增加进一步导致r处的发送功率的均值增加，因此pb的发送功率的增加降低了系统的中断概率。同时，从图中可以看到，本文提出的节点选择方法的中断概率低于随机选择的中断概率，获得了性能提升。

请参阅图4，给出了系统中断概率随簇内节点个数变化的曲线，其中pb的发送功率为10w，pb的密度为10^-3个/m²，信干噪比门限为1。从图4可以看出，随着簇内节点个数的增加，系统中断概率不断减小。当簇内节点个数比较大时，再增加簇内节点的个数对降低系统的中断概率效果没有那么明显，反而会增加系统的复杂度。因此系统在选取簇内节点个数的时候，应选取合适的个数来达到既能满足系统中断概率的要求，也不会额外增加太多的复杂度。随着簇内节点的个数刚开始增加时，系统中断概率下降明显，是因为此时增加簇内节点的个数，使得接收能量最大值的平均值增加明显。但再增加簇内节点个数时，中断概率减小不明显，这是因为此时节点收集能量最大值的均值主要受pb的发送功率影响，在pb发送功率确定的情况下，增加簇内节点的个数只会趋近于一个极限，下降不再明显。同时，簇内节点个数的增加在信息传输的时候增加了系统的分集增益，使得系统中断概率进一步减小。同时，从图中可以看到，本文提出的节点选择方法的中断概率低于随机选择的中断概率，获得了性能提升。

请参阅图5，给出了系统中断概率随信干噪比门限变化的曲线，其中pb的密度为10^-3个/m²，簇内节点的个数为10。从图中可以看出，系统的中断概率随着信干噪比门限增加而增加。信干噪比门限的增加，导致r中译码正确节点个数减少，当r中译码正确的节点个数减小后，中继传输给接收端的功率的均值就会减小，从而第二阶段的信干噪比下降，又由于信干噪比门限的增加，系统的中断概率进一步增加。同时，从图中可以看到，本文提出的节点选择方法的中断概率低于随机选择的中断概率，获得了性能提升。

请参阅图6，给出了系统的中断概率随着pb密度变化的曲线，其中簇内节点的个数为10，pb的发送功率为10w，信干噪比门限为1。从图中可以看出，系统的中断概率随着pb的密度增加而减小。这是因为pb的密度增加时，导致在收集能量阶段，收集到的能量的均值就会变大，在第一阶段和第二阶段的发送功率均值变大。同时，由于第一阶段的发送功率变大，也会导致r处译码正确的节点个数增加，进一步增加了第二阶段发送功率的均值，从而降低了整个系统的中断概率。同时，从图中可以看到，本文提出的节点选择方法的中断概率低于随机选择的中断概率，获得了性能提升。

请参阅图7，给出了系统的中断概率随干扰信号发送功率变化的曲线，其中pb的发送功率为10w，pb的密度为10^-3个/m²，信干噪比门限为1，簇内节点的个数为10。从图中可以看出，系统的中断概率随着干扰信号的功率增加而增加，当干扰信号的功率特别大时，系统中断概率接近于1。这是因为干扰信号的发送功率变大时，在r处和d处收到的干扰的功率均值增加，系统的信干噪比下降，从而导致中断概率增加。同时，由于r处的信干噪比下降，在r处译码正确节点的个数减小，从而导致r转发信号的功率的均值减小，这样在接收端d处，信号的功率减小，干扰的功率增加，进一步降低了接收端处的信干噪比，从而进一步增加了系统收的中断概率。同时，从图中可以看到，本文提出的节点选择方法的中断概率低于随机选择的中断概率，获得了性能提升。

请参阅图8，给出了系统的中断概率随着干扰信号的密度变化的曲线，其中pb的发送功率为10w，pb的密度为10^-3个/m²，信干噪比门限为1，簇内节点的个数为10。从系统的中断概率与干扰信号的密度变化的曲线可以看出，随着干扰信号密度的增加，系统的中断概率增加。这是由于干扰信号的密度增加的时候，接收到的干扰信号的功率的均值也会随着增加，使得信干噪比下降。同时在第一阶段信干噪比下降导致r处译码正确的节点个数减小，使得r的发送功率下降，进一步降低了d处的信干噪比，加大了中断概率。同时，从图中可以看到，本文提出的节点选择方法的中断概率低于随机选择的中断概率，获得了性能提升。

本发明考虑了各个节点间的相关性，在充电后，把接收到的能量全部用于传输信息，即变功率发送信息。同时，在信息接收阶段，考虑了系统中存在的干扰对系统造成的影响。对发送源，中继以及目的接收端分别采用了节点选择方案选择节点来构成多跳系统：针对发送源来说，选择出发送功率最大的节点作为发送源发送信息；对于中继来说，选择出译码正确的节点中收集能量最大的节点作为系统中继；针对目的接收端来说，选择出接收信干噪比最大的节点作为系统的接收端来接收信息。最后通过仿真验证了理论推导的正确性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。