本發(fā)明涉及協(xié)作通信技術領域，具體而言，涉及一種最優(yōu)中繼選擇方法和裝置。

背景技術：

經(jīng)發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的無線能量收集型中繼網(wǎng)絡(energyharvestingcooperativenetworks，簡稱ehcn)通常采用max-min準則進行中繼選擇，但是，maxmin中繼選擇算法的問題在于，固定的能量收集/信息傳輸功率分配比可能導致部分中繼節(jié)點由于信道深度衰落而使譯碼能量過低，引起源節(jié)點s到中繼節(jié)點r之間的鏈路中斷，進而導致全局的中斷概率大幅提高，因此，如何解決這一技術問題成為本領域技術人員的研究熱點。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種最優(yōu)中繼選擇方法和裝置，基于動態(tài)功率分配實現(xiàn)最優(yōu)中繼的選擇，能夠有效降低全局中斷概率，提高無線能量收集型的中繼傳輸系統(tǒng)的通信性能。

本發(fā)明較佳實施例提供一種最優(yōu)中繼選擇方法，應用于無線能量收集型的中繼傳輸系統(tǒng)，所述中繼傳輸系統(tǒng)包括源節(jié)點、目的節(jié)點和多個中繼節(jié)點，所述方法包括：

針對每個中繼節(jié)點，計算該中繼節(jié)點上的功率分配系數(shù)；

根據(jù)所述功率分配系數(shù)對所述中繼節(jié)點接收到的來自源節(jié)點的功率進行分配以使得所述中繼節(jié)點進行譯碼；

獲取多個所述中繼節(jié)點的譯碼結(jié)果；

判斷所述譯碼結(jié)果是否正確，若正確，則將該譯碼結(jié)果對應的中繼節(jié)點保存至集合中；

選取所述集合中的中繼節(jié)點到目的節(jié)點的鏈路信噪比最大的中繼節(jié)點作為最優(yōu)中繼以進行信息轉(zhuǎn)發(fā)。

進一步地，所述計算該中繼節(jié)點用于譯碼功率分配的功率分配系數(shù)的步驟包括：

計算所述中繼節(jié)點上用于信息譯碼的目標速率v，

根據(jù)所述目標速率v計算功率分配系數(shù)ρi，

其中，ps為源節(jié)點s的發(fā)射功率，hi為源節(jié)點s到中繼節(jié)點ri的瞬時信道增益，為源節(jié)點s到中繼節(jié)點ri的距離，α為路徑損耗指數(shù)，為信號處理噪聲功率，為中繼節(jié)點的接收天線噪聲功率，τ＝2^2v-1。

進一步地，所述功率分配系數(shù)ρi的取值范圍為0<ρi≤1。

進一步地，選取所述集合中的中繼節(jié)點到目的節(jié)點的鏈路信噪比最大的中繼節(jié)點作為最優(yōu)中繼以進行信息轉(zhuǎn)發(fā)的步驟包括：

分別計算所述集合中的多個中繼節(jié)點到目的節(jié)點的鏈路信噪比

將多個所述信噪比進行對比、分析以得到最大信噪比；

選取所述最大信噪比對應的中繼節(jié)點并設置為最優(yōu)中繼。

進一步地，所述分別計算所述集合中的多個中繼節(jié)點到目的節(jié)點的鏈路信噪比的步驟可以是：

其中，η為能量轉(zhuǎn)化效率，gi是中繼節(jié)點ri和目的節(jié)點d之間的信道衰落系數(shù)，是目的節(jié)點d的天線引入的噪聲功率。

本發(fā)明較佳實施例還提供一種最優(yōu)中繼選擇裝置，應用于無線能量收集型的中繼傳輸系統(tǒng)，所述中繼傳輸系統(tǒng)包括源節(jié)點、目的節(jié)點和多個中繼節(jié)點，包括：

系數(shù)計算模塊，用于針對每個中繼節(jié)點，計算該中繼節(jié)點上的功率分配系數(shù)；

功率分配模塊，用于根據(jù)所述功率分配系數(shù)對所述中繼節(jié)點接收到的來自源節(jié)點的功率進行分配以使得所述中繼節(jié)點進行譯碼；

獲取模塊，用于獲取多個所述中繼節(jié)點的譯碼結(jié)果；

判斷模塊，用于判斷所述譯碼結(jié)果是否正確，若正確，則將該譯碼結(jié)果對應的中繼節(jié)點保存至集合中；

中繼選擇模塊，用于選取所述集合中的中繼節(jié)點到目的節(jié)點的鏈路信噪比最大的中繼節(jié)點作為最優(yōu)中繼以進行信息轉(zhuǎn)發(fā)。

進一步地，所述系數(shù)計算模塊包括：

速率計算單元，用于計算所述中繼節(jié)點上用于信息譯碼的目標速率v，

系數(shù)計算單元，用于根據(jù)所述目標速率v計算功率分配系數(shù)ρi，

其中，ps為源節(jié)點s的發(fā)射功率，hi為源節(jié)點s到中繼節(jié)點ri的瞬時信道增益，為源節(jié)點s到中繼節(jié)點ri的距離，α為路徑損耗指數(shù)，為信號處理噪聲功率，為中繼節(jié)點的接收天線噪聲功率，τ＝2^2v-1。

進一步地，所述功率分配系數(shù)ρi的取值范圍為0<ρi≤1。

進一步地，所述中繼選擇模塊包括：

信噪比計算單元，用于分別計算所述集合中的多個中繼節(jié)點到目的節(jié)點的鏈路信噪比

比較單元，用于將多個所述信噪比進行對比、分析以得到最大信噪比；

選取單元，用于選取所述最大信噪比對應的中繼節(jié)點并設置為最優(yōu)中繼。

進一步地，所述信噪比可以是：

其中，η為能量轉(zhuǎn)化效率，gi是中繼節(jié)點ri和目的節(jié)點d之間的信道衰落系數(shù)，是目的節(jié)點d的天線引入的噪聲功率。

本發(fā)明實施例提供的最優(yōu)中繼選擇方法和裝置，應用于無線能量收集型的中繼傳輸系統(tǒng)，該方法基于中繼節(jié)點功率的動態(tài)分配實現(xiàn)最優(yōu)中繼選擇，能夠有效提高中繼傳輸系統(tǒng)的通信性能和能量利用效率，降低全局中斷概率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的最優(yōu)中繼選擇裝置的應用場景示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例提供的無線能量收集型的中繼傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡模型。

圖3為本發(fā)明實施例提供的最優(yōu)中繼選擇方法的流程示意圖。

圖4為采用不同中繼選擇方法的中繼傳輸系統(tǒng)的通信性能仿真示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例提供的最優(yōu)中繼選擇裝置的方框結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為圖5中所示的系數(shù)計算模塊的單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為圖5中所示的中繼選擇模塊的單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖標：10-中繼傳輸系統(tǒng)；100-最優(yōu)中繼選擇裝置；102-系數(shù)計算模塊；1021-速率計算單元；1023-系數(shù)計算單元；104-功率分配模塊；106-獲取模塊；108-判斷模塊；110-中繼選擇模塊；1101-信噪比計算單元；1103-比較單元；1105-選取單元；200-存儲器；300-存儲控制器；400-處理器。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

請參閱圖1，為本發(fā)明實施例提供的無線能量收集型的中繼傳輸系統(tǒng)10的方框結(jié)構(gòu)示意圖。其中，所述中繼傳輸系統(tǒng)10包括最優(yōu)中繼選擇裝置100、存儲器200、存儲控制器300以及處理器400。應注意，本發(fā)明中所提到的中繼傳輸系統(tǒng)10均為無線能量收集型的攜能中繼系統(tǒng)。

其中，所述存儲器200、存儲控制器300、處理器400各元件相互之間直接或間接地電性連接，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸或交互。例如，這些元件之間通過一條或多條通訊總線或信號線實現(xiàn)電性連接。所述最優(yōu)中繼選擇裝置100包括至少一個可以軟件或固件的形式存儲于所述存儲器200中或固化在所述中繼傳輸系統(tǒng)10的操作系統(tǒng)中的軟件功能模塊。所述處理器400在所述存儲控制器300的控制下訪問所述存儲器200，以用于執(zhí)行所述存儲器200中存儲的可執(zhí)行模塊，例如所述最優(yōu)中繼選擇裝置100所包括的軟件功能模塊及計算機程序等。

請結(jié)合參閱圖2，在實際實施時，所述無線能量收集型的中繼傳輸系統(tǒng)10包括源節(jié)點s、多個中繼節(jié)點ri和目的節(jié)點d。假設由于信道衰落和陰影的影響，源節(jié)點s和目的節(jié)點d之間不能直接傳輸信息，在源節(jié)點s和目的節(jié)點d之間存在n個能量采集型的中繼節(jié)點{r1,r2…rn}。假設所有中繼節(jié)點都沒有裝備供電設施，僅通過天線采集s發(fā)出的信息能量來儲備電能。其中，所有節(jié)點之間的信道h1,h2…h(huán)n和g1,g2…gn服從獨立非同分布瑞利衰落。具體地，在本實施例中，所述中繼傳輸系統(tǒng)10滿足以下條件：

(1)源節(jié)點s和目的節(jié)點d之間無直傳鏈路；

(2)中繼節(jié)點ri采取df模式，動態(tài)功率分配(dps)接收機結(jié)構(gòu)，第i個中繼節(jié)點上的功率分配系數(shù)為ρi；

(3)所有信道服從獨立非同分布瑞利衰落。

本實施例中，假設完成源節(jié)點s到目的節(jié)點d的信號傳輸需要時間t，那么，將整個信號傳輸過程可以分為第一階段(s-ri)和第二階段(ri-d)，且在不同的傳輸階段涉及到的能量采集方式如下表所示。

第一階段：源節(jié)點s廣播信號給所有中繼節(jié)點ri，中繼ri將接收信號分為兩部分，其中，部分用于將接收信號轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點d，部分用于信息譯碼。其中，所述中繼節(jié)點ri采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式(df)工作，在第一階段(時隙)將接收信號上攜帶的能量中的一部分用于譯碼，另一部分轉(zhuǎn)化為電能以進行第二階段的信息轉(zhuǎn)發(fā)，且假設每一次傳輸都用盡所有能量。

第二階段：中繼節(jié)點ri利用第一階段采集到的能量將接收信號轉(zhuǎn)發(fā)給d。其中，中繼節(jié)點ri的發(fā)送功率為：

其中，η為能量轉(zhuǎn)化效率，則目的節(jié)點d從中繼節(jié)點ri上接收到的信號為：

其中，gi是ri和d之間的信道衰落系數(shù)，是目的節(jié)點d的天線引入的噪聲,是重新編碼的信號，目的節(jié)點d上的信噪比是：

進一步地，基于上述無線能量收集型的中繼傳輸系統(tǒng)10的描述，如圖3所示，本發(fā)明實施例提供一種可應用于所述中繼傳輸系統(tǒng)10的最優(yōu)中繼選擇方法，下面將對圖3所示的具體流程進行詳細闡述。所應說明的是，本發(fā)明所述的最優(yōu)中繼選擇方法并不以圖3以及以下所述的具體順序為限制。應當理解，本發(fā)明所述的最優(yōu)中繼選擇其中部分步驟的順序可以根據(jù)實際需要相互交換，或者其中的部分步驟也可以省略或刪除。

步驟102，針對每個中繼節(jié)點，計算該中繼節(jié)點上的功率分配系數(shù)。

在本實施例中，首先應保證中繼節(jié)點ri可以正確的譯碼信息，然后剩余的功率用于能量采集，由此來確定功率分配比ρi的取值。具體地，假設中繼節(jié)點ri上用于譯碼信息的目標速率為v，那么，所述目標速率為v可以表示為：

再根據(jù)所述目標速率v計算功率分配系數(shù)ρi(功分比)可以得到：

其中，ps為源節(jié)點s的發(fā)射功率，hi為源節(jié)點s到中繼節(jié)點ri的瞬時信道增益，為源節(jié)點s到中繼節(jié)點ri的距離，α為路徑損耗指數(shù)，為信號處理噪聲功率，為中繼節(jié)點的接收天線噪聲功率，τ＝2^2v-1。

應注意，所述功率分配系數(shù)ρi的取值范圍為0<ρi≤1，其中，若所述功率分配系數(shù)ρi大于1，則ρi按照1進行計算。

步驟104，根據(jù)所述功率分配系數(shù)對所述中繼節(jié)點接收到的來自源節(jié)點的功率進行分配以使得所述中繼節(jié)點進行譯碼。

步驟106，獲取多個所述中繼節(jié)點的譯碼結(jié)果。

本實施例中，在根據(jù)所述步驟s102得到所述功率分配系數(shù)ρi后，所述中繼節(jié)點ri對接收到的來自源節(jié)點s的攜能信號上的功率進行劃分，以使得所述中繼節(jié)點ri通過自身接收到的能量進行譯碼，并在所有中繼節(jié)點ri完成譯碼操作后，將譯碼結(jié)果進行統(tǒng)計、分析。

步驟108，判斷所述譯碼結(jié)果是否正確，若正確，則將該譯碼結(jié)果對應的中繼節(jié)點保存至集合中。

本實施例中，根據(jù)所述中繼節(jié)點ri的譯碼結(jié)果，將成功譯碼信源信息的中繼節(jié)點ri放入集合u中，該集合u可表示為：

應注意，在進行最優(yōu)中中繼選擇時，被選擇的中繼節(jié)點ri均是能夠完成信源信息譯碼且譯碼結(jié)果正確的中繼節(jié)點。

步驟110，選取所述集合中的中繼節(jié)點到目的節(jié)點的鏈路信噪比最大的中繼節(jié)點作為最優(yōu)中繼以進行信息轉(zhuǎn)發(fā)。

本實施例中，在完成集合u的創(chuàng)建后，需從該集合u中選擇出能夠使得中繼節(jié)點ri到目的節(jié)點d的鏈路瞬時速率最大的中繼，具體選擇過程如下。

(1)計算所述集合u中的多個中繼節(jié)點分別對應的信噪比具體地，本實施例中，請結(jié)合式(3)和式(5)，計算中繼節(jié)點ri上的所述信噪比該信噪比可以表示為：

(2)將所述集合u中的多個中繼節(jié)點ri對應的信噪比進行對比、分析以得到最大信噪比，即最優(yōu)中繼對應的信噪比可以表示為：

(3)選取所述最大信噪比對應的中繼節(jié)點ri，并設置為最優(yōu)中繼。

應注意，所有中繼節(jié)點ri在進行信號傳輸前，首先廣播其前向信道的瞬時信噪比值(如采用tdma、cdma等方式進行)，并進行比較，所述集合u中信噪比高者即獲得信息轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)，其余中繼節(jié)點保持靜默。

需要說明的是，在本實施例中，在完成步驟s108后，如果不再比較前向信噪比而直接讓集合u中所有的中繼節(jié)點ri同時轉(zhuǎn)發(fā)信息給目標節(jié)點d也是可以實現(xiàn)的。其中，采用該方案的優(yōu)點是算法更簡單，通信開銷小。缺點是對定時同步誤差敏感，穩(wěn)定性差，且能量效率低。

進一步地，基于上述最優(yōu)中繼選擇方法的描述，本實施例還給出了在所述中繼傳輸系統(tǒng)10中采用該最優(yōu)中繼選擇方法的網(wǎng)絡性能仿真結(jié)果。其中，在本實施例中，以中斷概率pout為例，所述中斷概率pout可以表示為：

其中，n表示集合u中的中繼個數(shù)。

具體地，請參閱圖4，為采用不同中繼選擇方案時，所述中繼傳輸系統(tǒng)10中的中斷概率性能仿真結(jié)果示意圖。其中，線型ⅰ代表本實施例給出的基于動態(tài)功率分配的最優(yōu)中繼選擇方法，線型ⅱ代表現(xiàn)有技術中的maxmin中繼選擇算法。從圖4中可以看出，本實施例給出的基于動態(tài)功率分配的最優(yōu)中繼選擇方法中，隨著源節(jié)點發(fā)射功率的增大，全局網(wǎng)絡中的中斷概率pout顯著降低，網(wǎng)絡性能改善明顯。

進一步地，如圖5所示，為本實施例提供的最優(yōu)中繼選擇裝置100的方框結(jié)構(gòu)示意圖，其中，所述最優(yōu)中繼選擇裝置100包括系數(shù)計算模塊102、功率分配模塊104、獲取模塊106、判斷模塊108和中繼選擇模塊110。

所述系數(shù)計算模塊102，用于針對每個中繼節(jié)點，計算該中繼節(jié)點上的功率分配系數(shù)。

本實施例中，圖3中的步驟s102由所述系數(shù)計算模塊102執(zhí)行，具體過程請參考步驟s102，在此不再贅述?？蛇x地，實際實施時，如圖6所示，所述系數(shù)計算模塊102包括速率計算單元1021和系數(shù)計算單元1023。

所述速率計算單元1021，用于計算所述中繼節(jié)點上用于信息譯碼的目標速率r，

所述系數(shù)計算單元1023，用于根據(jù)所述目標速率計算功率分配系數(shù)ρi，

所述功率分配模塊104，用于根據(jù)所述功率分配系數(shù)對所述中繼節(jié)點接收到的來自源節(jié)點的功率進行分配以使得所述中繼節(jié)點進行譯碼。

本實施例中，本實施例中，圖3中的步驟s104由所述功率分配模塊104執(zhí)行，具體過程請參考步驟s104，在此不再贅述。

所述獲取模塊106，用于獲取多個所述中繼節(jié)點的譯碼結(jié)果。

本實施例中，本實施例中，圖3中的步驟s106由所述獲取模塊106執(zhí)行，具體過程請參考步驟s106，在此不再贅述。

所述判斷模塊108，用于判斷所述譯碼結(jié)果是否正確，若正確，則將該譯碼結(jié)果對應的中繼節(jié)點保存至集合中。

本實施例中，本實施例中，圖3中的步驟s108由所述判斷模塊108執(zhí)行，具體過程請參考步驟s108，在此不再贅述。

所述中繼選擇模塊110，用于選取所述集合中的中繼節(jié)點到目的節(jié)點的鏈路信噪比最大的中繼節(jié)點作為最優(yōu)中繼以進行信息轉(zhuǎn)發(fā)。

本實施例中，圖3中的步驟s110由所述中繼選擇模塊110執(zhí)行，具體過程請參考步驟s110，在此不再贅述。具體地，如圖7所示，所述中繼選擇模塊110包括信噪比計算單元1101、比較單元1103和選取單元1105。

所述信噪比計算單元1101，用于分別計算所述集合中的多個中繼節(jié)點到目的節(jié)點的鏈路信噪比

所述比較單元1103，用于將多個所述信噪比進行對比、分析以得到最大信噪比。

所述選取單元1105，用于選取所述最大信噪比對應的中繼節(jié)點并設置為最優(yōu)中繼。

綜上所述，本發(fā)明提供的最優(yōu)中繼選擇方法和裝置，應用于無線能量收集型的中繼傳輸系統(tǒng)10，該方法基于中繼節(jié)點功率的動態(tài)分配實現(xiàn)最優(yōu)中繼選擇，能夠有效提高中繼傳輸系統(tǒng)10的通信性能和能量利用效率，降低全局中斷概率。

在本發(fā)明的描述中，術語“設置”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

在本發(fā)明實施例所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的裝置和方法，也可以通過其他方式實現(xiàn)。以上所描述的裝置和方法實施例僅僅是示意性的，例如，附圖中的流程圖和框圖顯示了根據(jù)本發(fā)明的預設數(shù)量個實施例的裝置、方法和計算機程序產(chǎn)品可能實現(xiàn)的體系架構(gòu)、功能和操作。在這點上，流程圖或框圖中的每個方框可以代表一個模塊、程序段或代碼的一部分。所述模塊、程序段或代碼的一部分包含一個或預設數(shù)量個用于實現(xiàn)規(guī)定的邏輯功能。

也應當注意，在有些作為替換的實現(xiàn)方式中，方框中所標注的功能也可以以不同于附圖中所標注的順序發(fā)生。例如，兩個連續(xù)的方框?qū)嶋H上可以基本并行地執(zhí)行，它們有時也可以按相反的順序執(zhí)行，這依所涉及的功能而定。也要注意的是，框圖和/或流程圖中的每個方框、以及框圖和/或流程圖中的方框的組合，可以用執(zhí)行規(guī)定的功能或動作的專用的基于硬件的系統(tǒng)來實現(xiàn)，或者可以用專用硬件與計算機指令的組合來實現(xiàn)。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。