《電子技術(shù)應(yīng)用》
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能量收集中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇算法研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
閆 靜,楊 華,任鵬婷,,董紅松
山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,,山西 太谷030801
摘要: 從周?chē)h(huán)境收集能量是解決能量受限無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中能量補(bǔ)給問(wèn)題的一種有效方法。為了提高中繼網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃裕岢隽艘环N能量意識(shí)的分布式中繼選擇算法(MHE)。首先,算法通過(guò)比較所有能量受限中繼節(jié)點(diǎn)收集的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)作中繼的選擇,。而后,協(xié)作中繼使用從源節(jié)點(diǎn)射頻信號(hào)收集的能量將放大的源節(jié)點(diǎn)信息轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn),。最后,,推導(dǎo)出采用本算法時(shí)系統(tǒng)吞吐量的解析表達(dá)式,并通過(guò)理論和仿真證明所提出的選擇協(xié)議確實(shí)可以提高系統(tǒng)性能,。仿真結(jié)果驗(yàn)證了分析和定理的正確性,。
中圖分類(lèi)號(hào): TN929
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173468
中文引用格式: 閆靜,楊華,,任鵬婷,,等. 能量收集中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(5):98-102.
英文引用格式: Yan Jing,,Yang Hua,Ren Pengting,,et al. Research on relay selection strategy in energy harvesting relay network[J]. Application of Electronic Technique,,2018,44(5):98-102.
Research on relay selection strategy in energy harvesting relay network
Yan Jing,,Yang Hua,,Ren Pengting,Dong Hongsong
School of Information Science and Engineering,,Shanxi Agricultural University,,Taigu 030801,,China
Abstract: Harvesting energy from the surrounding environment is an effective way to replenish energy in energy-constrained wireless networks. An energy-aware distributed relay selection algorithm(MHE) is proposed to improve the reliability of information transmission. Firstly, the algorithm compares the energy-constrained relay nodes′ energy to select cooperative relay. Then, the selected relay node forwards the amplified information with the energy harvesting from the source′s RF signal. Finally, the throughput of the system with proposed algorithm is gotten and it′s proved that the proposed selection protocols indeed can improve the system performances through theory. Simulation results have verified the analysis and theorems.
Key words : harvesting energy;distributed relay selection,;throughput

0 引言

    中繼協(xié)作通信是利用分布式單天線終端間的協(xié)作獲得空間分集(spatial diversity)的一種有效策略[1],。由于無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中中繼節(jié)點(diǎn)的自然分布特性,在資源受限或大規(guī)模的中繼網(wǎng)絡(luò)中,,多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)很難同時(shí)將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn),。因此,為了獲得分集增益,,各種單中繼選擇方法被提出[2-4]。所有這些前期研究都表明中繼選擇確實(shí)可以提高無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)的性能,。

    另一方面,,在能量受限的無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)通常配有固定的能量供給裝置(電池等),,傳統(tǒng)的電池供電系統(tǒng)需要定期更換或者充電來(lái)維持網(wǎng)絡(luò)連接,。在電池充電或更換電池不方便甚至不可能的場(chǎng)景中(戰(zhàn)場(chǎng)或無(wú)人地帶),中繼網(wǎng)絡(luò)的生命時(shí)間就會(huì)受到限制[5],。此外,,連續(xù)供電的通信系統(tǒng)(如蜂窩網(wǎng)絡(luò))需要消耗能量,且隨著數(shù)據(jù)流的增大,,消耗的能量會(huì)進(jìn)一步增加,。由于不可再生資源的供應(yīng)有限,將能量收集技術(shù)與電力通信系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)已經(jīng)引起了極大的研究興趣,,從射頻信號(hào)收集能量為解決惡劣環(huán)境下中繼節(jié)點(diǎn)能量供給問(wèn)題提供了一種有效解決辦法[6-7],。無(wú)線射頻信號(hào)可以同時(shí)攜帶能量和信息,信能同傳的思想被提出[8-9],。隨之,,兩種實(shí)用的接收機(jī)結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出來(lái),分別叫作時(shí)間切換接收機(jī)和功率分離接收機(jī)[10],?;谶@些前期工作,NASIR A A等率先將信能同傳技術(shù)應(yīng)用到能量受限的信能同傳中繼網(wǎng)絡(luò)中,,中繼節(jié)點(diǎn)使用從源節(jié)點(diǎn)的射頻信號(hào)中收集的能量來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)的信息到目的節(jié)點(diǎn)[11],。文獻(xiàn)[12]中針對(duì)能量收集全雙工中繼網(wǎng)絡(luò),提出了3種中繼選擇策略,,并得到了系統(tǒng)的中斷概率和吞吐量,。文獻(xiàn)[13]提出了一種中繼帶有buffer的能量有效性中繼選擇算法。

    本文主要研究了能量收集中繼網(wǎng)絡(luò)分布式中繼選擇算法,,提出了一種中繼選擇方法——最多收集能量算法(MHE),。最多收集能量算法是選擇從源節(jié)點(diǎn)射頻信號(hào)中收集能量最多的中繼節(jié)點(diǎn)作為最佳協(xié)作中繼并參與協(xié)作,。此外,由于最多收集能量算法需要得到瞬時(shí)信道信息且中繼網(wǎng)絡(luò)能量受限,,本文結(jié)合RTS/CTS機(jī)制和功率分離中繼協(xié)議建立了中繼節(jié)點(diǎn)可以自發(fā)選出最佳中繼的傳輸模式,。同時(shí),本文還得出高信噪比區(qū)域中繼網(wǎng)絡(luò)采用最多收集能量算法時(shí)的中斷概率及吞吐量,。理論分析和實(shí)踐仿真表明,,本文所提出的中繼選擇協(xié)議可以取得比隨機(jī)中繼選擇更優(yōu)的系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)模型

    中繼節(jié)點(diǎn)能量受限的放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)如圖1所示,,假設(shè)涉及的所有信道都服從塊衰落,。從源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)Rk和從中繼Rk到目的節(jié)點(diǎn)的信道增益分別記為hsk和hkd,認(rèn)為信道矩陣是獨(dú)立同分布的復(fù)高斯隨機(jī)變量,,那么信道的模|hsk|2和|hkd|2都服從指數(shù)分布,,均值分別記為λh和λg;源節(jié)點(diǎn)使用固定的發(fā)送功率PS發(fā)送信息,,中繼節(jié)點(diǎn)Rk的傳輸功率記為tx1-t1-s1.gif取決于中繼節(jié)點(diǎn)Rk所收集的能量和從中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間,。

tx1-t1.gif

    本文主要研究基于功率分離中繼協(xié)議的信能同傳中繼網(wǎng)絡(luò)[10]。整個(gè)傳輸周期T被平均分成兩個(gè)階段,。假設(shè)在第一個(gè)階段之前中繼Rk是本時(shí)隙的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn),,那么中繼Rk接收到的射頻信號(hào)為:

tx1-gs1-4.gif

    根據(jù)放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議,中繼節(jié)點(diǎn)Rk轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)可以表示為:

tx1-gs5-9.gif

2 分布式中繼選擇協(xié)議

2.1 中繼選擇算法

    在能量受限的無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中,,中繼節(jié)點(diǎn)使用從源節(jié)點(diǎn)射頻信號(hào)收集的能量將信息傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn),。收集能量越多,發(fā)送功率越大,,目的節(jié)點(diǎn)處的信噪比隨中繼節(jié)點(diǎn)處發(fā)射功率的增加而增大,。因此,最多收集能量算法可以表示為:

    tx1-gs10.gif

    觀察式(2),,一個(gè)給定的中繼網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中,,中繼節(jié)點(diǎn)收集的能量只與前向信道有關(guān),所以最多收集能量算法是選擇最優(yōu)前向信道信息的中繼節(jié)點(diǎn)作為協(xié)作中繼,。

    本文所提出的算法需要相關(guān)的信道狀態(tài)信息,,因此需要設(shè)計(jì)一種消耗資源盡可能少的分布式中繼選擇協(xié)議,可以使得網(wǎng)絡(luò)自發(fā)選出最佳的中繼,。

2.2 分布式選擇機(jī)制

    本節(jié)所提出的中繼選擇協(xié)議的傳輸過(guò)程如圖2所示,,不同于文獻(xiàn)[11]所提出的傳輸過(guò)程,在功率分離中繼協(xié)議之前增加了一個(gè)中繼選擇階段,??紤]到中繼選擇階段所持續(xù)的時(shí)間相比于整個(gè)傳輸周期是非常小的,所以可以忽略不計(jì),。本節(jié)主要介紹如何通過(guò)RTS/CTS機(jī)制選出最佳協(xié)作中繼,。協(xié)議描述如下:首先,,源節(jié)點(diǎn)發(fā)送CTS包給所有中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn),目的節(jié)點(diǎn)接收到CTS包后發(fā)送RTS包給所有中繼節(jié)點(diǎn)及源節(jié)點(diǎn),。那么,,各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)利用兩次成功接收到的包可以估計(jì)源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道信息。其次,,各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)計(jì)算出中繼選擇函數(shù)(tx1-t2-x1.gif)的值,。隨后,設(shè)置一個(gè)倒計(jì)時(shí)器,,初始時(shí)間值為中繼選擇函數(shù)值的倒數(shù)(1/tx1-t2-x1.gif),,很顯然,擁有中繼選擇函數(shù)最大的中繼節(jié)點(diǎn)計(jì)時(shí)器首先歸零,。最后,,倒計(jì)時(shí)器率先歸零的中繼節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)聲明數(shù)據(jù)包,其他中繼節(jié)點(diǎn)收到后將計(jì)時(shí)器置零,,且在后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中保持休眠,。在某些情況下,,多個(gè)聲明數(shù)據(jù)包可能發(fā)生碰撞,。此時(shí),源節(jié)點(diǎn)無(wú)法辨識(shí)信息來(lái)源而無(wú)法選出最佳協(xié)作中繼,,那么中繼節(jié)點(diǎn)退避一段時(shí)間后重新發(fā)起競(jìng)爭(zhēng),,更多的細(xì)節(jié)可以參考文獻(xiàn)[15]。

tx1-t2.gif

3 性能分析與比較

3.1 最多收集能量算法的中斷概率

tx1-gs11-15.gif

    根據(jù)二項(xiàng)式定理,,可以得到:

tx1-gs16-20.gif

3.2 性能比較

    本小節(jié)對(duì)所提出的算法和隨機(jī)選擇算法的性能進(jìn)行比較,。通過(guò)對(duì)這兩種情況下的吞吐量進(jìn)行分析,在高信噪比區(qū)域,,本小節(jié)提出了一個(gè)定理,。

    定理1:中繼網(wǎng)絡(luò)采用最多收集能量中繼選擇算法時(shí)目的節(jié)點(diǎn)處的吞吐量(高信噪比近似)大于隨機(jī)中繼選擇時(shí)系統(tǒng)的吞吐量,即τMHE≥τ,。

tx1-gs21-26.gif

4 仿真

    本小節(jié)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真來(lái)驗(yàn)證上述分析過(guò)程和所提出的理論,。在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下,仿真參數(shù)如下表所示:中繼個(gè)數(shù)為4,,傳輸速率為1 bit/s/Hz,,中繼節(jié)點(diǎn)處能量收集電路的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.1,用于能量收集的功率分離比率為0.85,,信道參數(shù)都為1,,中繼處的噪聲功率都為0.25 W,目的節(jié)點(diǎn)處的噪聲功率為0.5 W,。

    圖3為中繼網(wǎng)絡(luò)采用所提出的中繼選擇算法進(jìn)行傳輸時(shí)的中斷概率,。在圖3中,,分別位于兩組曲線上方的兩條曲線是通過(guò)理論計(jì)算所得到的結(jié)果,而下方的曲線是仿真結(jié)果,,見(jiàn)式(23),。仿真結(jié)果是通過(guò)產(chǎn)生106次隨機(jī)信道而取得的平均值。從圖3不難看出,,所得到的理論結(jié)果和仿真結(jié)果非常接近,。比較采用不同的中繼選擇協(xié)議所得到的結(jié)果,可以看到中繼網(wǎng)絡(luò)采用最多收集能量算法進(jìn)行中繼選擇可以使系統(tǒng)獲得比隨機(jī)選擇算法更大的吞吐量,??傊ㄟ^(guò)仿真所得到的結(jié)果和理論分析是一致的,,而且所提出的定理也得到驗(yàn)證,。

tx1-t3.gif

    為了更好地表示由于進(jìn)行中繼選擇而帶來(lái)的性能增益,定義中繼選擇增益為tx1-t3-x1.gif

    在圖4中,,研究了選擇增益隨中繼個(gè)數(shù)的增加而變化的曲線,。觀察圖4,很顯然,,在N>1時(shí),,最多收集能量算法可以獲得選擇增益,而且隨著中繼個(gè)數(shù)N的增加,,可選中繼的數(shù)目也在不斷增加,,采用最多收集能量算法而得到的選擇增益越來(lái)越明顯。然而,,最多收集能量算法需要源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道信息,,而且計(jì)算復(fù)雜度要高一些,所需要的開(kāi)銷(xiāo)也要多一些,,因而對(duì)于一個(gè)資源受限的中繼網(wǎng)絡(luò),,需要在選擇增益和系統(tǒng)消耗中獲取一個(gè)折中。

tx1-t4.gif

    吞吐量隨功率分離比率(0<ρ<1)的變化曲線如圖5所示,。顯而易見(jiàn),,中繼網(wǎng)絡(luò)采用最多收集能量算法可以獲得比隨機(jī)選擇算法更大的吞吐量。觀察圖5可以看出,,對(duì)于最多收集能量算法和隨機(jī)選擇算法分別存在一個(gè)最優(yōu)功率分離比率:tx1-t5-s1.gif=0.90和ρ*=0.85,,可以分別使得系統(tǒng)的吞吐量τMHE和τ達(dá)到最大值。一方面,,當(dāng)功率分離比率ρ小于最優(yōu)的功率分離比率時(shí),,中繼網(wǎng)絡(luò)用于能量收集的功率比率比較少,導(dǎo)致中繼節(jié)點(diǎn)收集到的能量比較少,就會(huì)使中繼節(jié)點(diǎn)處的發(fā)射功率比較小,,那么系統(tǒng)在目的節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生大的中斷概率而使得系統(tǒng)的吞吐量變得比較?。涣硪环矫?,當(dāng)功率分離比率ρ大于最優(yōu)值時(shí),,較多的功率比率用于能量收集而信息傳輸所用的比較少,由于信息傳輸所用的功率變小,,傳輸?shù)男畔⒘孔兩?,系統(tǒng)的吞吐量也開(kāi)始變小。通過(guò)分析中斷概率的表達(dá)式,,可以得到已有系統(tǒng)的最優(yōu)功率分離比率ρ,。

tx1-t5.gif

5 結(jié)論

    本文研究了包含1個(gè)源節(jié)點(diǎn)、N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)及1個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,,在該網(wǎng)絡(luò)中能量受限的中繼節(jié)點(diǎn)使用從源節(jié)點(diǎn)射頻信號(hào)收集的能量將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn),。通過(guò)對(duì)各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)收集能量的多少進(jìn)行比較,提出了一種中繼選擇算法,,該算法在每個(gè)傳輸周期選擇一個(gè)最佳協(xié)作中繼,。此外,得出了系統(tǒng)中斷概率及吞吐量的解析表達(dá)式,,并提出定理證明所提出的MHE算法在吞吐量方面優(yōu)于隨機(jī)中繼選擇算法,。仿真結(jié)果表明,本文所提出的分布式選擇算法確實(shí)改善了系統(tǒng)性能,。本文在中繼選擇時(shí)尚未考慮中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)處的信道信息,,這是下一步需要深入研究的問(wèn)題,。

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作者信息:

閆  靜,,楊  華,任鵬婷,,董紅松

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,,山西 太谷030801)

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