| 主权项 |
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：<maths num="0001"><math><![CDATA[<mrow><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><msub><mi>P</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>W</mi></mfrac><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><msub><mi>E</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><msub><mi>P</mi><mi>R</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>W</mi></mfrac><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><msub><mi>E</mi><mi>R</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mo>...</mo><mo>,</mo><mi>N</mi><mo>.</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0001076848410000011.GIF" wi="1062" he="107" /></maths>其中：P<sub>A</sub>(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，E<sub>A</sub>(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，P<sub>R</sub>(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，E<sub>R</sub>(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：<maths num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>y</mi><mrow><mi>a</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msqrt><msub><mi>h</mi><mrow><mi>a</mi><mi>r</mi></mrow></msub></msqrt><msub><mi>x</mi><mi>a</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>n</mi><mi>r</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><msub><mi>y</mi><mrow><mi>a</mi><mi>b</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msqrt><msub><mi>h</mi><mrow><mi>a</mi><mi>b</mi></mrow></msub></msqrt><msub><mi>x</mi><mi>a</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>n</mi><mi>b</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><msub><mi>y</mi><mrow><mi>r</mi><mi>b</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msqrt><msub><mi>h</mi><mrow><mi>r</mi><mi>b</mi></mrow></msub></msqrt><msub><mi>x</mi><mi>r</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>w</mi><mi>b</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0001076848410000012.GIF" wi="1414" he="71" /></maths>其中，x<sub>a</sub>(i)和x<sub>r</sub>(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，y<sub>ar</sub>(i)表示能量采集的中继站R在第i个时隙的接收信号，y<sub>ab</sub>(i)和y<sub>rb</sub>(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，h<sub>ar</sub>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，h<sub>ab</sub>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，h<sub>rb</sub>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，n<sub>r</sub>(i)表示目标通信终端用户B在第i时隙的接收信号噪声，n<sub>b</sub>(i)和w<sub>b</sub>(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γ<sub>ar</sub>(i)＝P<sub>A</sub>(i)h<sub>ar</sub>,γ<sub>ab</sub>(i)＝P<sub>A</sub>(i)h<sub>ab</sub>,γ<sub>rb</sub>(i+1)＝P<sub>R</sub>(i+1)h<sub>rb</sub>.其中，γ<sub>ar</sub>(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，γ<sub>ab</sub>(i)和γ<sub>rb</sub>(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：<maths num="0003"><math><![CDATA[<mrow><msub><mover><mi>E</mi><mo>~</mo></mover><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>a</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mover><mi>E</mi><mo>~</mo></mover><mi>R</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>R</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>r</mi><mi>b</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mover><mi>P</mi><mo>~</mo></mover><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>a</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mover><mi>P</mi><mo>~</mo></mover><mi>R</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mi>R</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>r</mi><mi>b</mi></mrow></msub><mo>.</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0001076848410000021.GIF" wi="1310" he="63" /></maths>定义新的信道增益<maths num="0004"><math><![CDATA[<mrow><msub><mover><mi>h</mi><mo>~</mo></mover><mrow><mi>a</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mover><mi>h</mi><mo>~</mo></mover><mrow><mi>r</mi><mi>b</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><msub><mover><mi>h</mi><mo>~</mo></mover><mrow><mi>a</mi><mi>b</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>h</mi><mrow><mi>a</mi><mi>b</mi></mrow></msub><msub><mi>h</mi><mrow><mi>a</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub><mo>.</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0001076848410000022.GIF" wi="454" he="110" /></maths>重新改写信道模型的表达式如下：<maths num="0005"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>y</mi><mrow><mi>a</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mi>a</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>n</mi><mi>r</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><msub><mi>y</mi><mrow><mi>a</mi><mi>b</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msqrt><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub></msqrt><msub><mi>x</mi><mi>a</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>n</mi><mi>b</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><msub><mi>y</mi><mrow><mi>r</mi><mi>b</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mi>r</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>w</mi><mi>b</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mo>;</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0001076848410000023.GIF" wi="1294" he="63" /></maths>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<maths num="0006"><math><![CDATA[<mrow><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>P</mi><mi>R</mi></msub><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>k</mi></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>k</mi></mrow><mi>N</mi></munderover><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>P</mi><mi>R</mi></msub><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mn>2</mn><mo>≤</mo><mi>k</mi><mo>≤</mo><mi>N</mi><mo>.</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0001076848410000024.GIF" wi="1180" he="111" /></maths>其中R<sub>B</sub>(i+1)表示能量采集中继站R第i+1时隙的分割速率，C(P<sub>R</sub>(i+1))表示第i+1时隙能量采集中继站R的容量，<maths num="0007"><math><![CDATA[<mrow><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>≥</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>P</mi><mi>R</mi></msub><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mn>1</mn><mo>≤</mo><mi>k</mi><mo>≤</mo><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>k</mi></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>k</mi></mrow><mi>N</mi></munderover><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>P</mi><mi>R</mi></msub><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0001076848410000025.GIF" wi="1222" he="113" /></maths>结合R(i)＜C(P<sub>A</sub>(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(P<sub>A</sub>(i)),C(h<sub>0</sub>P<sub>A</sub>(i))+R<sub>B</sub>(i+1)}＝C(h<sub>0</sub>P<sub>A</sub>(i))+R<sub>B</sub>(i+1),i＝1,...N.<maths num="0008"><math><![CDATA[<mrow><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>P</mi><mi>A</mi></msub><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>P</mi><mi>A</mi></msub><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo><mo>)</mo></mrow><mo>≥</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mo>...</mo><mo>,</mo><mi>N</mi><mo>.</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0001076848410000026.GIF" wi="862" he="103" /></maths><maths num="0009"><math><![CDATA[<mrow><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>P</mi><mi>A</mi></msub><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>P</mi><mi>R</mi></msub><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo><mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>P</mi><mi>A</mi></msub><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mo>...</mo><mo>,</mo><mi>N</mi><mo>.</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0001076848410000027.GIF" wi="926" he="117" /></maths>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：<img file="FDA0001076848410000028.GIF" wi="1088" he="544" />步骤3:忽略中继站R的情况下获得最优终端用户A的功率分配；相应的子问题P2归结如下：<img file="FDA0001076848410000029.GIF" wi="800" he="224" />步骤4:忽略终端用户A的情况下获得最优的能量采集的中继站R功率分配；相应的子问题P3归结为：<img file="FDA0001076848410000031.GIF" wi="1128" he="352" /> |
