[发明专利]一种适用于能量和信息同传网络分组的中继选择方法

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1.一种适用于能量和信息同传网络分组的中继选择方法，其特征在于，

(1)系统场景分析：

所述系统场景中有一个信号源节点S，N个进行能量收集和信息传输的中继节点R_i放在指定的位置，和一个目的通信节点D，信号源节点和目的节点之间没有直达路径，中继节点采用译码转发的工作方式，每次数据的传输时间段是T；

(2)时间分配中继选择策略，包括以下步骤：

1)建立源节点到中继节点最大传输速率模型：

时间分配中继机制下源节点到每个中继节点的最大传输速率模型如公式(1)所示：

其中为源节点到第i个中继节点的最大传输速率,TS表示时间分配机制，i表示第i个中继节点，是源节点到第i个中继节点传输信号时，第i个中继节点的信噪比，P_S是源节点的发射功率，|h_S,i|²是源节点到第i个中继节点的信道功率增益，d_S,i是源节点到第i个中继节点的距离，表示d_S，i的m次方，m是路径损耗参数，是源节点到第i个中继节点的噪声；

2)利用最大化传输速率进行初次中继选择：

初次中继选择的优化目标是最大化源节点到中继节点的吞吐量，源节点选择传输速率最大的小组传输信号，其中小组的传输速率是源到小组中的中继节点能实现的传输速率的最小值，源节点的中继选择方法如公式(2)所示：

被选中继节点以k个为一组自由组合，其中f表示被选择的小组，是第f个包含k个中继节点的小组，表示在时间分配机制下第q个包含k个中继节点的小组的传输速率；

3)建立中继节点到目的节点最大传输速率模型：

通过上述步骤2)推导出被选小组，考虑时间分配机制下，中继节点的传输时间被分为能量收集和信息传输两部分，其中在αT时间段内中继节点从信号中收集能量，剩余时间用于信息传输，每个中继节点到目的节点的最大传输速率模型如公式(3)所示：

其中是在第l时间段内中继节点i到目的节点的最大传输速率，D表示目的节点，表示在第l个时间段内第i个中继节点向目的节点传输信号时目的节点的信噪比，P_i^TS(l)是第i个中继节点的发射功率，由上一时间段的剩余能量、本时间段收集的能量以及信息传输时间(1-α)T/2决定，中继节点将全部剩余能量作为能量源来传输信号，|h_i,D|²是第i个中继节点到目的节点的信道功率增益，d_i，D是第i个中继节点到目的节点距离表示d_i，D的m次方，m是路径损耗参数，是第i个中继节点到目的节点的噪声；

4)利用到目的节点的最大传输速率进行二次中继选择：

二次中继选择的优化目标是在最大化吞吐量的同时实现能量的积累，选择被选小组中到目的节点传输速率最大的中继节点传输信息，中继选择方法如公式(4)所示：

其中n表示小组中第n个中继节点被选择来传输信号到目的节点；

5)建立吞吐量模型：

源节点在每个时间段以和最大传输速率相同的速率传输信号，直到系统停止工作，被选择的中继节点的吞吐量模型如公式(5)所示：

其中τ^TS表示在时间分配机制下的吞吐量，M表示系统停止工作之前信息传输的总的时间段数量，考虑时间分配中继机制中每个时间段内中继节点的有效传输时间是(1-α)T/2，C^TS(l)表示第l时间段内被选择的中继节点实现的最大传输速率，模型描述如公式(6)所示：

然后考虑被选择小组中其他节点继续收集能量，根据时间分配机制，每个中继节点额外收集的能量模型如公式(7)所示：

其中表示小组中其他节点比如第i个中继节点在被选择的节点传输信号的时候额外收集的能量，η表示能量转换效率；在本时间段内中继节点的调度问题是在中继节点只在αT的时间段内收集能量的条件下进行；

(3)功率分配中继选择策略包括以下步骤：

1)建立源节点到中继节点最大传输速率模型：

考虑功率分配机制下中继节点把接收的信号功率分为两部分，其中ρP用于能量收集，剩余部分用于信息传输，源节点到每个中继节点的最大传输速率模型如公式(8)所示：

其中表示源节点到第i个中继节点的最大传输速率，P_s表示源节点发射功率，|h_S,i|²是源节点到第i个中继节点的信道功率增益，是源节点到第i个中继节点传输信号时，第i个中继节点的信噪比，d_S，i是源节点到第i个中继节点的距离，表示d_S，i的m次方，m是路径损耗参数，表示源节点到中继节点i的噪声；

2)利用到中继节点的最大传输速率进行初次中继选择：

初次中继选择的优化目标是最大化源节点到中继节点的吞吐量，源节点选择传输速率最大的小组传输信号，源节点的中继选择方法如公式(9)所示：

其中f表示被选择的小组，是第f个包含k个中继节点的小组，表示第q个包含k个中继节点的小组的传输速率，该速率是源到小组中的中继节点能实现的传输速率的最小值；

3)建立中继节点到目的节点最大传输速率模型：

每个中继节点传输信号到目的节点的最大传输速率模型如公式(10)所示：

其中是在第l时间段内第i个中继节点到目的节点的最大传输速率，表示在第l个时间段内每个中继节点向目的节点传输信号时目的节点的信噪比，P_i^PS(l)是第i个中继节点的发射功率，由上一时间段的剩余能量、本时间段收集的能量以及传输时间T/2决定，中继节点将全部剩余能量作为能量源来传输信号，|h_i,D|²是第i个中继节点到目的节点的信道功率增益，d_i，D是第i个中继节点到目的节点距离，表示d_i，D的m次方，m是路径损耗参数，是第i个中继节点到目的节点的噪声；

4)利用到目的节点的最大传输速率进行二次中继选择：

二次中继选择的优化目标是最大化吞吐量的同时实现能量的积累，到目的节点传输速率最大的中继节点被选择传输信号，二次中继选择方法如公式(11)所示：

其中n表示小组中第n个中继节点被选择传输信号到目的节点；

5)建立吞吐量模型：

源节点在每个时间段以和最大传输速率相同的速率传输信号，直到系统停止工作，被选择的中继节点的系统吞吐量模型如公式(12)所示：

其中τ^PS表示功率分配机制下系统的吞吐量，M表示系统停止工作之前信息传输的总的时间段数量，根据上述的功率分配中继机制下，第l时间段内被选择的中继节点实现的最大传输速率模型C^PS(l)如公式(13)所示：

然后考虑被选择小组中其他节点继续收集能量，每个中继节点额外收集的能量模型如公式(14)所示：

其中表示小组中其他节点如第i个中继节点在被选择的节点传输信号的时候额外收集的能量，在本时间段内中继节点的调度问题是在中继节点只在T/2的时间段内从ρP收集能量的条件下进行；

(4)求解节点调度的最优分组尺寸：

首先，假定源节点和目的节点位于区域的边界，中继节点分布在源节点和目的节点的中间区域，试验k取不同值系统最终的吞吐量，通过比较得到一个最优分组尺寸；

然后，分别求解时间分配机制和功率分配机制下的最优分组尺寸，将中继节点的坐标分别代入到上述的最大传输速率公式中，根据上述的中继选择方法分别计算小组尺寸不同时的吞吐量，最大吞吐量对应的小组尺寸即为最优分组尺寸；利用MATLAB软件中的函数，在不同的分配机制和不同的节点状态下绘制以分组尺寸为自变量的吞吐量变化曲线；

最后，分析仿真曲线中得到的吞吐量最大值以及对应的小组尺寸，该尺寸即为节点调度的最优分组尺寸。