EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法和系统

摘要

本发明提供一种EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法和系统，其方法包括：建立源节点至中继节点以及该中继节点至目的节点的链路连接关系，其中，所述中继节点可转发所述源节点的数据，也可同时发送该中继节点自身的数据；判断所述中继节点的数据传输速率是否满足参与协作传输的速率要求，并判断所述中继节点的能量是否满足同时转发所述源节点的数据以及发送自身的数据所需的能量，如果均满足，则选择该中继节点进行数据转发。本发明提出了无线EH协作通信系统中，在保障中继节点自身数据传输速率的前提下，通过利用源节点分配的带宽实现协作源节点传输的新方法，不需要分配新的带宽资源，具有科学价值和现实意义。

说明书

技术领域

本发明主要涉及无线通信技术领域，具体涉及一种EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法和系统。

背景技术

在协作通信网络中，中继节点可能是固定的，也可能是移动的，当中继节点是移动节点时，难以获得稳定的电力供应，此时采用EH(Energy Harvesting)能量收集技术获得中继通信所需的能量是十分必要的，利用EH技术获得能量可以有效延长待机时间。在无线EH协作通信网络中，中继节点既可以转发来自源节点的数据，同时可以发射自身业务的数据，于是需要对资源进行合理利用。在传统协作通信系统中，讨论了固定带宽和功率时，源节点和中继节点共享带宽时的协作传输，由于无线EH协作通信网络的中继节点电力来自节点自身收集的能量，因此不适用于无线EH协作通信系统。在无线EH协作通信系统中，资源分配问题不仅要考虑信道特性，而且要考虑能量收集特性，从而加大了解决此类问题的难度。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供一种EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法和系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法，包括如下步骤：

建立源节点至中继节点以及该中继节点至目的节点的链路连接关系，其中，所述中继节点可转发所述源节点的数据，也可同时发送该中继节点自身的数据；

判断所述中继节点的数据传输速率是否满足参与协作传输的速率要求，并判断所述中继节点的能量是否满足同时转发所述源节点的数据以及发送自身的数据所需的能量，如果均满足，则选择该中继节点进行数据转发。

本发明的有益效果是：提出了无线EH协作通信系统中，在保障中继节点自身数据传输速率以及能量的前提下，通过利用源节点分配的带宽实现协作源节点传输的新方法，不需要分配新的带宽资源，具有科学价值和现实意义。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，判断所述中继节点的数据传输速率是否满足参与协作传输的速率要求包括：

计算所述源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率；

并计算所述中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率；

如果所述中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率大于或等于所述源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率，则所述中继节点的数据传输速率满足参与协作传输的速率要求。

采用上述进一步方案的有益效果是：需同时满足数据传输速率的要求和能量的要求，保证了中继节点在参与协作传输时的稳定性。

进一步，所述计算中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率包括：

根据自身数据优先发送原则，计算中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的数据传输速率，并根据发送自身数据的数据传输速率计算中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率；

并在中继节点参与协作传输情况下，由中继节点的最大发射功率和中继节点为自身数据提供的发射功率的差值，得到中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率；

并根据中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率计算中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率。

采用上述进一步方案的有益效果是：在中继节点参与协作传输情况下，首先计算中继节点自身传输的数据传输速率和发射功率，再计算中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率，最后得到中继节点参与协作传输时转发源节点数据的数据传输速率，能够保证中继节点在满足自身传输的需求下同时满足协助源节点转发的需求。

进一步，所述计算所述源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率包括：

所述源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率为其中，W_s为源节点的带宽，设源节点、中继节点和目的节点的噪声功率谱密度相等，N₀为噪声功率谱密度,P_s为源节点的发射功率，g_sd为源节点到目的节点链路的信道增益。

采用上述进一步方案的有益效果是：为了满足中继节点能够参与协作的要求，需计算源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率，再与中继节点参与协作传输时转发源节点数据的数据传输速率进行比较来确定，保证了中继节点协助传输过程的稳定性及优化分配。

进一步，所述计算中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的数据传输速率，并根据发送自身数据的数据传输速率计算中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率包括：

根据自身数据优先发送原则，中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的数据传输速率为W_r为中继节点的带宽，P_self为中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率，g_self为中继节点参与协作传输情况下传输自身数据的信道增益，设源节点、中继节点和目的节点的噪声功率谱密度相等，N₀为噪声功率谱密度，且为中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的最低传输功率，根据公式计算得到W_r为中继节点的带宽，δ为中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的最低传输速率值，根据公式计算得到

进一步，所述得到中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率包括：

中继节点参与协作传输情况下中继节点的最大发射功率为其中，E_r为中继节点能量存储器的储能值，T为一个时隙的传输时间，且E_r≤E_max，E_max为中继节点能量存储器的最大储能值，则中继节点参与协作传输情况下中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率为P_f,max＝P_max-P_self，其中，P_self为中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率。

进一步，所述根据中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率计算中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率包括：

中继节点参与协作传输情况下中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率为P_f,max＝P_max-P_self，其中，P_max为中继节点参与协作传输情况下中继节点的最大发射功率，P_self为中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率；

当P_f,max≤0时，对P_self的值进行调整，当时，此时P_f,max仍然小于或等于0，则中继节点不参与协作传输；

当P_self的值调整至使得P_f,max>0时，中继节点参与协作传输情况下源节点到中继节点链路的数据传输速率P_s为源节点的发射功率，g_sr为源节点到中继节点链路的信道增益，α为源节点分配给中继节点的带宽比例，α为实数且0<α<1；

中继节点参与协作传输情况下中继节点转发来自源节点数据的转发数据速率

中继链路传输来自源节点数据的数据传输速率为R_c＝min(R_sr,R_rd)，min(A,B)表示A和B中选择较小的值。

进一步，判断所述中继节点的能量是否满足同时转发所述源节点的数据以及发送自身的数据所需的能量，具体方法为：

计算所述中继节点参与协作传输时中继节点发送自身数据的传输速率R_self，以及中继链路传输来自源节点数据的数据传输速率R_c，如果中继节点最大可使用的总功率能够满足使R_self≥δ，且R_c≥R_nc-sd所需的总功率，则所述中继节点的能量满足同时转发所述源节点的数据以及发送自身的数据所需的能量，其中，P_max为中继节点参与协作传输情况下中继节点的最大发射功率，E_r为中继节点能量存储器的储能值，T为一个时隙的传输时间，δ为中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的最低传输速率值，R_nc-sd为中继节点不参与协作传输时，源节点到目的节点链路传输数据的数据速率。

采用上述进一步方案的有益效果是：当中继节点收集的能量满足条件时，选择该中继节点进行数据转发，保证了传输的稳定性及优化分配。

进一步，还包括当中继节点参与协作传输情况下，计算中继节点的能量利用率的步骤：

中继节点参与协作传输情况下中继节点的能量利用率为通过优化P_self和α的取值来优化能量利用率η，优化条件表示为：满足R_self≥δ、R_c≥R_nc-sd、E_r≤E_max、0<α<1的条件下求解其中，R_c为中继链路传输来自源节点数据的数据传输速率，R_nc-sd为源节点到目的节点链路传输数据的传输速率，R_self为中继节点发送自身数据的传输速率，P_self为中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率，α为源节点分配给中继节点的带宽比例，P_max为中继节点参与协作传输情况下中继节点的最大发射功率，δ为中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的最低传输速率值，E_r为中继节点能量存储器的储能值，E_max为中继节点能量存储器的最大储能值，为获取当改变C的取值时最大D值对应的P_self和α的运算，P_opt-self和α_opt分别为中继节点参与协作传输情况下，中继节点为自身数据提供的最优发射功率和源节点共享给中继节点的最优带宽比例。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输系统，包括：

链路建立模块，用于建立源节点至中继节点以及该中继节点至目的节点的链路连接关系，其中，所述中继节点可转发所述源节点的数据，也可同时发送该中继节点自身的数据；

中继节点选择模块，用于判断所述中继节点的数据传输速率是否满足参与协作传输的速率要求，并判断所述中继节点的能量是否满足同时转发所述源节点的数据以及发送自身的数据所需的能量，如果均满足，则选择该中继节点进行数据转发。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法的方法流程图；

图2为本发明另一实施例提供的EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法的方法流程图；

图3为本发明另一实施例提供的EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法的方法流程图；

图4为本发明一实施例提供的EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输系统的模块框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在传统协作通信系统中，讨论了固定带宽和功率时，源节点和中继节点共享带宽时的协作传输，由于无线EH协作通信网络的中继节点电力来自节点自身收集的能量，因此不适用于无线EH协作通信系统。在无线EH协作通信系统中，资源分配问题不仅要考虑信道特性，而且要考虑能量收集特性，从而加大了解决此类问题的难度。

本发明在无线EH能量收集协作网络中提出一种合理的资源共享和优化分配方法，达到优化协作传输和自身数据传输的双重目标。

图1为本发明一实施例提供的能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法的方法流程图；

如图1所示，一种EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法，包括如下步骤：

步骤01：建立源节点至中继节点以及该中继节点至目的节点的链路连接关系，其中，所述中继节点可转发所述源节点的数据，也可同时发送该中继节点自身的数据；

步骤02：判断所述中继节点的数据传输速率是否满足参与协作传输的速率要求；

步骤03：判断所述中继节点的能量否满足同时转发所述源节点的数据以及发送自身的数据所需的能量；

步骤04：如果均满足，则选择该中继节点进行数据转发。

上述实施例中，提出了无线EH协作通信系统中，在保障中继节点自身数据传输速率以及能量的前提下，通过利用源节点分配的带宽实现协作源节点传输的新方法，不需要分配新的带宽资源，具有科学价值和现实意义。

图2为本发明另一实施例提供的能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法的方法流程图；

在图1实施例的基础上，如图2所示，判断所述中继节点的数据传输速率是否满足参与协作传输的速率要求包括：

步骤021：计算所述源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率；

步骤022：计算所述中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率；

步骤023：如果所述中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率大于或等于所述源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率，则所述中继节点的数据传输速率满足参与协作传输的速率要求。

上述实施例中，需同时满足数据传输速率的要求和能量的要求，保证了中继节点在参与协作传输时的稳定性。

在图2实施例的基础上，本实施例具体介绍，所述计算所述源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率包括：

所述源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率为其中，W_s为源节点的带宽，设源节点、中继节点和目的节点的噪声功率谱密度相等，N₀为噪声功率谱密度,P_s为源节点的发射功率，g_sd为源节点到目的节点链路的信道增益。

上述实施例中，为了满足中继节点能够参与协作的要求，需计算源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率，再与中继节点参与协作传输时转发源节点数据的数据传输速率进行比较来确定，保证了中继节点协助传输过程的稳定性及优化分配。

图3为本发明另一实施例提供的能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法的方法流程图；

在图2实施例的基础上，如图3所示，所述计算中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率包括：

步骤0221：根据自身数据优先发送原则，计算中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的数据传输速率，并根据发送自身数据的数据传输速率计算中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率；

步骤0222：在中继节点参与协作传输情况下，由中继节点的最大发射功率和中继节点为自身数据提供的发射功率的差值，得到中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率；

步骤0223：根据中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率计算中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率。

上述实施例中，在中继节点参与协作传输情况下，首先计算中继节点自身传输的数据传输速率和发射功率，再计算中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率，最后得到中继节点参与协作传输时转发源节点数据的数据传输速率，能够保证中继节点在满足自身传输的需求下同时满足协助源节点转发的需求。

在图3实施例的基础上，本实施例具体介绍，所述计算所述源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率包括：

所述源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率为其中，W_s为源节点的带宽，设源节点、中继节点和目的节点的噪声功率谱密度相等，N₀为噪声功率谱密度,P_s为源节点的发射功率，g_sd为源节点到目的节点链路的信道增益。

在图3实施例的基础上，本实施例具体介绍，所述计算中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的数据传输速率，并根据发送自身数据的数据传输速率计算中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率包括：

根据自身数据优先发送原则，中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的数据传输速率为W_r为中继节点的带宽，P_self为中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率，g_self为中继节点参与协作传输情况下传输自身数据的信道增益，设源节点、中继节点和目的节点的噪声功率谱密度相等，N₀为噪声功率谱密度，且为中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的最低传输功率，根据公式计算得到W_r为中继节点的带宽，δ为中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的最低传输速率值，根据公式计算得到

在图3实施例的基础上，本实施例具体介绍，所述得到中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率包括：

中继节点参与协作传输情况下中继节点的最大发射功率为其中，E_r为中继节点能量存储器的储能值，T为一个时隙的传输时间，且E_r≤E_max，E_max为中继节点能量存储器的最大储能值，则中继节点参与协作传输情况下中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率为P_f,max＝P_max-P_self，其中，P_self为中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率。

在图3实施例的基础上，本实施例具体介绍，所述根据中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率计算中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率包括：

中继节点参与协作传输情况下中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率为P_f,max＝P_max-P_self，其中，P_max为中继节点参与协作传输情况下中继节点的最大发射功率，P_self为中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率；

当P_f,max≤0时，对P_self的值进行调整，当时，此时P_f,max仍然小于或等于0，则中继节点不参与协作传输；

当P_self的值调整至使得P_f,max>0时，中继节点参与协作传输情况下源节点到中继节点链路的数据传输速率P_s为源节点的发射功率，g_sr为源节点到中继节点链路的信道增益，α为源节点分配给中继节点的带宽比例，α为实数且0<α<1；

中继节点参与协作传输情况下中继节点转发来自源节点数据的转发数据速率

中继链路传输来自源节点数据的数据传输速率为R_c＝min(R_sr,R_rd)，min(A,B)表示A和B中选择较小的值。

在图1实施例的基础上，本实施例具体介绍，判断所述中继节点的能量是否满足同时转发所述源节点的数据以及发送自身的数据所需的能量，具体方法为：

计算所述中继节点参与协作传输时中继节点发送自身数据的传输速率R_self(计算方法上述实施例中已给出介绍)，以及中继节点转发源节数据的数据速率R_c(计算方法上述实施例中已给出介绍)，如果中继节点最大可使用的总功率能够满足使R_self≥δ，且R_c≥R_nc-sd所需的总功率，则所述中继节点的能量满足同时转发所述源节点的数据以及发送自身的数据所需的能量，其中，P_max为中继节点参与协作传输情况下中继节点的最大发射功率，E_r为中继节点能量存储器的储能值，T为一个时隙的传输时间，δ为中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的最低传输速率值，R_nc-sd为中继节点不参与协作传输时，源节点到目的节点链路传输数据的数据速率。

上述实施例中，当中继节点收集的能量也满足条件时，则选择该中继节点进行数据转发，保证了传输的稳定性及优化分配。

在上述实施例的基础上，本实施例介绍，还包括当中继节点参与协作传输情况下，计算中继节点的能量利用率的步骤：

中继节点参与协作传输情况下中继节点的能量利用率为通过优化P_self和α的取值来优化能量利用率η，优化条件表示为：满足R_self≥δ、R_c≥R_nc-sd、E_r≤E_max、0<α<1的条件下求解其中，R_c为中继链路传输来自源节点数据的数据传输速率，R_nc-sd为源节点到目的节点链路传输数据的传输速率，R_self为中继节点发送自身数据的传输速率，P_self为中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率，α为源节点分配给中继节点的带宽比例，P_max为中继节点参与协作传输情况下中继节点的最大发射功率，δ为中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的最低传输速率值，E_r为中继节点能量存储器的储能值，E_max为中继节点能量存储器的最大储能值，为获取当改变C的取值时最大D值对应的P_self和α的运算，P_opt-self和α_opt分别为中继节点参与协作传输情况下，中继节点为自身数据提供的最优发射功率和源节点共享给中继节点的最优带宽比例。

图4为本发明一实施例提供的EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输系统的模块框图；

如图4所示，一种EH能量收集协作网络中共享带宽的协作传输系统，包括：

链路建立模块，用于建立源节点至中继节点以及该中继节点至目的节点的链路连接关系，其中，所述中继节点可转发所述源节点的数据，也可同时发送该中继节点自身的数据；

中继节点选择模块，用于判断所述中继节点的数据传输速率是否满足参与协作传输的速率要求，并判断所述中继节点的能量是否满足同时转发所述源节点的数据以及发送自身的数据所需的能量，如果均满足，则选择该中继节点进行数据转发。

在图4实施例的基础上，所述中继节点选择模块包括第一计算单元，所述第一计算单元用于：

计算所述源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率，并计算所述中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率；如果所述中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率大于或等于所述源节点直接传输数据至目的节点的数据传输速率，则所述中继节点的数据传输速率满足参与协作传输的速率要求。

上述实施例中，需同时满足数据传输速率的要求和能量的要求，保证了中继节点在参与协作传输时的稳定性。

在上述实施例的基础上，所述第一计算单元中，计算所述中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率包括：

根据自身数据优先发送原则，计算中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的数据传输速率，并根据发送自身数据的数据传输速率计算中继节点参与协作传输情况下为自身数据提供的发射功率；

在中继节点参与协作传输情况下，由中继节点的最大发射功率和中继节点为自身数据提供的发射功率的差值，得到中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率；

根据中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率计算中继节点参与协作传输时转发所述源节点数据的数据传输速率。

上述实施例中，在中继节点参与协作传输情况下，首先计算中继节点自身传输的数据传输速率和发射功率，再计算中继节点转发来自源节点数据的最大发射功率，最后得到中继节点参与协作传输时转发源节点数据的数据传输速率，能够保证中继节点在满足自身传输的需求下同时满足协助源节点转发的需求。

在图4实施例的基础上，所述中继节点选择模块包括第二计算单元，所述第二计算单元用于：

计算所述中继节点参与协作传输时中继节点发送自身数据的传输速率R_self，以及中继节点转发源节数据的数据速率R_c，如果中继节点最大可使用的总功率能够满足使R_self≥δ，且R_c≥R_nc-sd所需的总功率，则所述中继节点的能量满足同时转发所述源节点的数据以及发送自身的数据所需的能量，其中，P_max为中继节点参与协作传输情况下中继节点的最大发射功率，E_r为中继节点能量存储器的储能值，T为一个时隙的传输时间，δ为中继节点参与协作传输情况下中继节点发送自身数据的最低传输速率值，R_nc-sd为中继节点不参与协作传输时，源节点到目的节点链路传输数据的数据速率。

本发明的主要优点是：(1)提出了无线EH协作通信系统中，在保障中继节点自身数据传输速率的前提下，通过利用源节点分配的带宽实现协作源节点传输的新方法，不需要分配新的带宽资源，具有科学价值和现实意义；(2)进一步提出了优化源节点、中继节点功率和带宽资源分配的方法，对于提升系统性能，具有积极意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。