协作物联网能量采集节点的功率控制方法技术

本发明专利技术公开了一种协作物联网能量采集节点的功率控制方法，属于物联网技术领域。包括步骤:系统场景分析，问题归结；系统数学模型建立；然后利用优化方法求出最优解。本发明专利技术针对特殊的应用场景，来源实际应用，充分考虑可再生能源的环保方案，结合能量采集技术，在不影响网络性能的前提下，考虑因果限制条件下的系统性能最优问题，达到能耗和网络速率的折中，更加合理充分利用可再生能源，降低了网络的能耗。本发明专利技术的资源分配方法，算法设计合理，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于物联网
，更具体地说，涉及一种协作物联网能量采集节点的功率控制方法。
技术介绍
物联网(InternetofThings，IOT)的概念起源于1999年，是通过射频识别系统(RFID)、红外感应系统、全球定位系统(GPS)、激光扫描仪等信息传感设备，按照约定的协议，赋予物体智能，并通过接口把需要连接的物品与国际互联网连接起来，形成一个物品与物品相互连接的巨大的分布式网络，从而实现智能化物品识别、物品定位、物品跟踪、物品监控和管理。物联网通过相关技术可以实现物品间的全面感知、可靠传输和智能处理，是继计算机、互联网之后，蓬勃兴起的世界信息技术的又一次革命，是20世纪人类社会以信息技术应用为核心的技术延展。归结起来，物联网与传统产业的全面融合，将成为21世纪全球新一轮社会经济发展的主导力量，但同时也引出了几个函待解决的问题：1)物联网中会存在大量需要通信的节点，网络中存在大量需要流通的数据，迫切需要研究网络中通信节点之间吞吐量最大化的问题；2)物联网中由于存在大量节点，理论上就存在不直接交互数据的那些节点，或者说当前无通信业务的节点的资源浪费，完全可以利用这些空闲节点参与协作，从而最大化网络性能；3)迫切需要能够投入实际应用的关于物联网资源分配的算法，强调算法的低复杂度、实时运算能力和高收敛速度。中国专利申请号201410002222.7，公开日2014年1月2日，公开了一份名称为一种面向服务的通用物联网资源分配方法，其包括以下步骤：根据物联网的多个节点的标识、状态、采集的数据类别、位置和采集数据的频率建立数据表；接收用户的服务请求，并根据请求和数据表查询物联网的多个节点；以及根据查询结果将满足服务请求的最优节点分配给用户。该公开技术材料通过由节点数据建立的数据表对每个节点的整个状态进行监控，并根据该数据表分配满足用户请求的最优节点，从而节约节点的能耗，从而提高了节点的使用寿命。中国专利申请号201110460606.X，公开日2011年12月31日，公开了一份名称为一种物联网无线中继接入策略的功率分配优化方法，其包括：在物联网局部区域内多个物联网节点通过无线方式共用一个节点接入公共蜂窝网络的应用场景中，采用一种衰减信道容量模型，以信道容量最大为优化方法，对场景中的多接入信道和多节点中继信道进行功率分配联合优化。该公开技术材料提出的这种功率优化方法，快速简洁的优势，能够满足物联网特定场景中功率优化的要求。中国专利申请号201410765069.3，公开日2014年12月12日，公开了一份名称为一种制造物联网节点协同感知调度优化方法，其包括将检测出事件的感知节点充当拍卖节点，根据事件类型，并依据任务的时序约束和空间约束进行任务分解，利用功率控制技术，基于事件发生频率和基本任务元数量进行动态范围内的招标，使网络能耗均衡；收到招标信息的感知节点根据自身情况进行基于熵权的代价评估，并将代价值返回拍卖节点；拍卖节点根据各返回值进行任务分派，并发出执行命令。该方法利用功率控制技术，可以降低系统能耗。总的来说，申请号201410002222.7的公开材料考虑物联网节点的能耗和使用寿命，但是没有进一步考虑节点之间的协作带来的性能提升。申请号201110460606.X的公开材料考虑物联网节点协作通信改善系统性能，但是算法复杂度高，不能满足实时运算。申请号201410765069.3的公开材料考虑利用功率控制技术降低系统能耗，但是没有考虑节点协作，也没有针对网络吞吐量性能进行优化。
技术实现思路
针对现有的物联网功率控制方法未充分考虑空闲节点协作下的网络吞吐量最优、可再生能源的节能方案、低复杂度算法实际应用等问题，本专利技术提出一种协作物联网能量采集节点的功率控制方法，在综合考虑空闲能量采集物联网节点参与协作，结合能量采集技术带来的节能方案，辅助低复杂度迭代算法，最大化通信用户间网络性能。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于协作物联网能量采集节点的功率控制方法，包括：步骤1:系统场景分析，问题归结:考虑一个经典的三节点场景，场景中有一个能量采集的终端用户A，一个能量采集的中继站R和一个目标通信终端用户B，考虑能量采集的终端用户A和目标通信终端用户B之间的存在直达路径，能量采集的中继站R选用DF工作方式，一个传输过程包括N个数据块，假设能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R占用相等的带宽W，考虑该场景下的能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R的功率指派问题；同时假设用于能量采集的电池容量足够大，除了用于传输消耗的能量忽略不计，在传输每一次的数据块时总的能量约束方程必须满足：Σi=1kPA(i)≤1WΣi=1kEA(i),Σi=1kPR(i+1)≤1WΣi=1kER(i+1),k=1,...,N.]]>其中：PA(i)表示能量采集的终端用户A发送第i个数据块时分配的功率，EA(i)表示能量采集的终端用户A在i个传输时隙内采集到的功率，PR(i+1)表示中继站R在第i+1个时隙转发第i个数据块时分配的功率，ER(i+1)表示中继站R在i+1个传输时隙内采集到的功率，信道的输入输出关系满足：yar(i)=harxa(i)+nr(i),yab(i)=habxa(i)+nb(i),yrb(i+1)=hrbxr(i+1)+wb(i+1).]]>其中，xa(i)和xr(i+1)分别表示能量采集的终端用户A在第i个时隙以及中继站R在第i+1个时隙发送的信号，yar(i)表示能量采集的中继站R在第i个时隙的接收信号，yab(i)和yrb(i+1)分别表示目标通信终端用户B在第i个时隙以及第i+1个时隙的接收信号，har表示能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R之间的信道功率增益，hab表示能量采集的终端用户A和目标通信终端用户B之间的信道功率增益，hrb表示能量采集的中继站R和目标通信终端用户B之间的信道功率增益，nr(i)表示目标通信终端用户B在第i时隙的接收信号噪声，nb(i)和wb(i+1)分别表示目标通信终端用户B在第i时隙以及第i+1时隙的接收信号噪声，能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R之间，能量采集的终端用户A和目标通信终端用户B之间以及能量采集的中继站R和目标通信终端用户B之间的接收信噪比分别满足γar(i)＝PA(i)har,γab(i)＝PA(i)hab,γrb(i+1)＝PR(i+1)hrb.其中，γar(i)表示能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R之间第i时隙的接收信噪比，γab(i)和γrb(i+1)分别表示目标通信终端用户B在第i时隙以及第i+1时隙的接收信噪比，定义新的能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R的能量和功率曲线为：E~A(i)=EA(i)har,E~R(i+1)=ER(i+1)hrb,P~A(i)=PA(i)har,P~R(i+1)=PR(i+1)hrb.]]>定义新的信道增益h~ar=h~rb=1,h~ab=habhar=h0.]]>重新改写信道模型的表达式如下：yar(i)=xa(i)+nr(i),yab(i)=h0xa(i)+nb(i),yrb(i+1)=xr(i+1)+wb(i+1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于协作物联网能量采集节点的功率控制方法，其特征在于，包括：步骤1:系统场景分析，问题归结:考虑一个经典的三节点场景，场景中有一个能量采集的终端用户A，一个能量采集的中继站R和一个目标通信终端用户B，考虑能量采集的终端用户A和目标通信终端用户B之间的存在直达路径，能量采集的中继站R选用DF工作方式，一个传输过程包括N个数据块，假设能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R占用相等的带宽W，考虑该场景下的能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R的功率指派问题；同时假设用于能量采集的电池容量足够大，除了用于传输消耗的能量忽略不计，在传输每一次的数据块时总的能量约束方程必须满足：Σi=1kPA(i)≤1WΣi=1kEA(i),Σi=1kPR(i+1)≤1WΣi=1kER(i+1),k=1,...,N.]]>其中：PA(i)表示能量采集的终端用户A发送第i个数据块时分配的功率，EA(i)表示能量采集的终端用户A在i个传输时隙内采集到的功率，PR(i+1)表示中继站R在第i+1个时隙转发第i个数据块时分配的功率，ER(i+1)表示中继站R在i+1个传输时隙内采集到的功率，信道的输入输出关系满足：yar(i)=harxa(i)+nr(i),yab(i)=habxa(i)+nb(i),yrb(i+1)=hrbxr(i+1)+wb(i+1).]]>其中，xa(i)和xr(i+1)分别表示能量采集的终端用户A在第i个时隙以及中继站R在第i+1个时隙发送的信号，yar(i)表示能量采集的中继站R在第i个时隙的接收信号，yab(i)和yrb(i+1)分别表示目标通信终端用户B在第i个时隙以及第i+1个时隙的接收信号，har表示能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R之间的信道功率增益，hab表示能量采集的终端用户A和目标通信终端用户B之间的信道功率增益，hrb表示能量采集的中继站R和目标通信终端用户B之间的信道功率增益，nr(i)表示目标通信终端用户B在第i时隙的接收信号噪声，nb(i)和wb(i+1)分别表示目标通信终端用户B在第i时隙以及第i+1时隙的接收信号噪声，能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R之间，能量采集的终端用户A和目标通信终端用户B之间以及能量采集的中继站R和目标通信终端用户B之间的接收信噪比分别满足γar(i)＝PA(i)har,γab(i)＝PA(i)hab,γrb(i+1)＝PR(i+1)hrb.其中，γar(i)表示能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R之间第i时隙的接收信噪比，γab(i)和γrb(i+1)分别表示目标通信终端用户B在第i时隙以及第i+1时隙的接收信噪比，定义新的能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R的能量和功率曲线为：E~A(i)=EA(i)har,E~R(i+1)=ER(i+1)hrb,P~A(i)=PA(i)har,P~R(i+1)=PR(i+1)hrb.]]>定义新的信道增益h~ar=h~rb=1,h~ab=habhar=h0.]]>重新改写信道模型的表达式如下：yar(i)=xa(i)+nr(i),yab(i)=h0xa(i)+nb(i),yrb(i+1)=xr(i+1)+wb(i+1).;]]>步骤2:系统数学模型建立；在DF中继的传输模式下，当第i个数据块被传输时，如果目标接收端能够成功解码源节点发送的数据包，必须满足Σi=1NRB(i+1)=Σi=1NC(PR(i+1)),Σi=kNRB(i+1)≤Σi=kNC(PR(i+1)),2≤k≤N.]]>其中RB(i+1)表示能量采集中继站R第i+1时隙的分割速率，C(PR(i+1))表示第i+1时隙能量采集中继站R的容量，Σi=1kRB(i+1)≥Σi=1kC(PR(i+1)),1≤k≤N-1,Σi=kNRB(i+1)=Σi=kNC(PR(i+1)).]]>结合R(i)＜C(PA(i))，终端用户A在中继站R的协作下传输第i个数据块的可达速率表示成：R(i)＝min{C(PA(i)),C(h0PA(i))+RB(i+1)}＝C(h0PA(i))+RB(i+1),i＝1,...N.Σi=1kC(PA(i))-C(h0PA(i))≥Σi=1kRB(i+1),k=1,...,N.]]>Σi=1kC(h0PA(i))+C(PR(i+1))≤Σi=1kC(PA(i)),k=1,...,N.]]>考虑一个N个数据块的传输过程，可以归结出平均吞吐量最大化问题如下...

【技术特征摘要】
1.一种基于协作物联网能量采集节点的功率控制方法，其特征在于，包括：步骤1:系统场景分析，问题归结:考虑一个经典的三节点场景，场景中有一个能量采集的终端用户A，一个能量采集的中继站R和一个目标通信终端用户B，考虑能量采集的终端用户A和目标通信终端用户B之间的存在直达路径，能量采集的中继站R选用DF工作方式，一个传输过程包括N个数据块，假设能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R占用相等的带宽W，考虑该场景下的能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R的功率指派问题；同时假设用于能量采集的电池容量足够大，除了用于传输消耗的能量忽略不计，在传输每一次的数据块时总的能量约束方程必须满足：Σi=1kPA(i)≤1WΣi=1kEA(i),Σi=1kPR(i+1)≤1WΣi=1kER(i+1),k=1,...,N.]]>其中：PA(i)表示能量采集的终端用户A发送第i个数据块时分配的功率，EA(i)表示能量采集的终端用户A在i个传输时隙内采集到的功率，PR(i+1)表示中继站R在第i+1个时隙转发第i个数据块时分配的功率，ER(i+1)表示中继站R在i+1个传输时隙内采集到的功率，信道的输入输出关系满足：yar(i)=harxa(i)+nr(i),yab(i)=habxa(i)+nb(i),yrb(i+1)=hrbxr(i+1)+wb(i+1).]]>其中，xa(i)和xr(i+1)分别表示能量采集的终端用户A在第i个时隙以及中继站R在第i+1个时隙发送的信号，yar(i)表示能量采集的中继站R在第i个时隙的接收信号，yab(i)和yrb(i+1)分别表示目标通信终端用户B在第i个时隙以及第i+1个时隙的接收信号，har表示能量采集的终端用户A和能量采集的中继站R之间的信道功率增益，hab表示能量采集的终端用户A和目标通信终端用户B之间的信道功率增益，hrb表示能量采集的中继站R和目标通信终端用户B之间的信道功率增益，nr(i)表示目标通信终端用户B在第i时隙的接收信号噪声，nb(i)和wb(i+1)分别表示目标通信终...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁广俊，
申请(专利权)人：梁广俊，
类型：发明
国别省市：安徽;34