两跳多中继网络性能分析方法、系统及装置

摘要

本发明公开了一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法、系统及装置，所述方法包括：计算中继节点Ri从源节点S收集到的能量Ei、计算中继节点Ri从源节点S接收到的信号值的大小、以及计算目的节点D从中继节点Ri接收到的信号值的大小；计算系统端到端信噪比，并计算莱斯衰落信道下系统链路中断的概率、中继节点Ri能量受限的概率、以及中继节点Ri能量够用的概率；计算系统的中断概率，并计算系统的吞吐量；根据系统的中断概率和系统的吞吐量对两跳多中继网络性能进行分析。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机网络技术领域，尤其是涉及一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法、系统及装置。

背景技术

在现有技术中，中继技术可以扩大网络覆盖范围，有效提高系统容量和用户服务质量。无线射频能量收集技术能够为网络中能量受限的节点提供稳定的能量，且管理方便，可以解决无线设备电池资源有限、极端环境下不易更换、人工维护成本高的问题，因此基于无线能量传输的中继网络被广泛研究。

由于无线能量传输网络可广泛应用于户外物联网中(如铁路物联网、矿山物联网、环境监测物联网等)，而视野空旷的户外物联网主要处于以直射路径为主的环境中，通常户外场景下的无线衰落信道建模为莱斯衰落信道，而且在实际的无线能量传输中，能量主要来自于直射分量，所以视距传输不可忽视，考虑到这一点莱斯衰落信道模型在无线能量传输网络中更具有实用性。

然而，在现有技术中，要么针对瑞利衰落信道、要么针对Nakagami-m衰落信道。Nakagami-m虽然可以近似地描述莱斯衰落，但对于精确分析直射分量对能量站辅助的能量收集中继网络性能的影响，目前还没有详细的探讨。因此，目前亟须一种适用于莱斯衰落信道条件的无线能量传输驱动的两跳多中继网络的性能评估计算方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法、系统及装置，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法，包括：

计算中继节点R

根据中继节点R

根据系统链路中断的概率、中继节点R

根据系统的中断概率和系统的吞吐量对两跳多中继网络性能进行分析。

本发明提供一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析系统，包括：

能量信号计算模块，用于计算中继节点R

节点信息与能量中断概率计算模块，用于根据中继节点R

系统中断概率与吞吐量计算模块，用于根据系统链路中断的概率、中继节点R

分析模块，用于根据系统的中断概率和系统的吞吐量对两跳多中继网络性能进行分析。

本发明实施例还提供一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析装置，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，程序被处理器执行时实现上述无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法的步骤。

采用本发明实施例，提供了一种莱斯衰落信道条件下的网络性能评估计算方法，能够适应户外物联网形势发展要求，并且能够克服物联网节点能量有限的缺点，可用于网络设计理论分析和数值实验，对网络设计具有重要的指导意义。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的户外无线能量传输驱动的两跳多中继网络模型的示意图；

图2是本发明实施例的能量收集和信息传输过程的示意图；

图3是本发明实施例的无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法的流程图；

图4是本发明实施例的无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析系统的示意图；

图5是本发明实施例的无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析装置的示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法、系统及装置，通过分析网络信息传输与能量间的因果关系、系统中断概率、系统吞吐量，能够定量分析源节点总发射功率、源节点天线数量、莱斯因子、时间分割因子、能量转化效率以及节点相对位置等因素对户外无线能量传输驱动中继网络端到端中断概率及吞吐量性能的影响，为网络优化设计提供有效的性能评估参考。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法，图1是本发明实施例的户外无线能量传输驱动的两跳多中继网络模型的示意图，如图1所示：

网络由一个能量充足的源节点S，N

图2是本发明实施例的能量收集和信息传输过程的示意图，如图2所示，该系统完成S到D的端到端信息传输任务分为三个阶段。第一阶段R

在户外物联网场景中，信号传输中存在明显的直射路径，因此采用莱斯衰落模型刻画信道更为准确。假设每跳信道是准静态、独立、同分布的莱斯衰落信道。

在本发明实施例中，首先计算信息传输三个阶段的能量、信号值的大小，进一步通过数学推导得出莱斯衰落信道下的无线能量传输驱动网络的端到端中断概率及吞吐量的计算式，然后根据网络配置参数进行网络中断概率和吞吐量的计算和性能评估。以下进行详细说明。

图3是本发明实施例的无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法的流程图，如图3所示，根据本发明实施例的无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析方法具体包括：

步骤301，计算中继节点R

步骤301具体包括如下处理：

第1步，计算第一阶段中R

其中η(0＜η＜1)为能量转换效率；N

第2步，计算R

其中x

第3步，计算D从R

其中，n

步骤302，根据中继节点R

步骤302具体包括如下处理：

第4步，计算系统端到端信噪比为：

由于实际中，噪声功率N

令

第5步，计算系统链路中断的概率为：

其中系统最低所需的传输速率为R

第6步，计算中继R

其中，E

第7步，计算中继能量够用的概率。当E

步骤303，根据所述系统链路中断的概率、所述中继节点R

步骤303具体包括如下处理：

第8步，计算系统的中断概率。系统的中断概率可描述为：P

其中K

第9步，进一步可计算系统的吞吐量为

步骤304，根据所述系统的中断概率和所述系统的吞吐量对两跳多中继网络性能进行分析。

步骤304具体包括如下处理：

当源节点总发射功率、源节点天线数量、莱斯因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，随着时间分割因子的增大，系统中断概率先减小后增大；

当源节点总发射功率、源节点天线数量、时间分割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，莱斯因子越大，系统中断概率越小；

当源节点天线数量、莱斯因子、时间分割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，源端发射总功率越大，系统的吞吐量越大；

当源节点总发射功率、莱斯因子、时间分割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，当源节点天线数量越多系统吞吐量越大；

当源节点总发射功率、源节点天线数量、莱斯因子、时间分割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，选择两跳距离之和最短的中继节点时系统性能要优于选择第一跳距离最短的中继节点时系统性能。

从上述内容可以看出，本发明实施例的莱斯衰落信道下的无线能量传输驱动的两跳多中继网络的性能评估计算方法，解决了以下问题：

(1)网络模型图1中源节点总发射功率与网络吞吐量定量关系。

(2)网络模型图1中源节点天线数量与网络吞吐量定量关系。

(3)网络模型图1中无线能量传输驱动模式下，时间分割因子与网络吞吐量定量关系。

(4)网络模型图1中中继节点能量转化效率与网络吞吐量定量关系。

(5)网络模型图1中源节点和中继节点相对位置与网络吞吐量定量关系。

(6)网络模型图1中莱斯因子与网络吞吐量定量关系。

综上所述，采用本发明实施例，提供了一种莱斯衰落信道条件下的网络性能评估计算方法，能够适应户外物联网形势发展要求，并且能够克服物联网节点能量有限缺点，可用于网络设计理论分析和数值实验，对网络设计具有重要的指导意义。

系统实施例

根据本发明实施例，提供了一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析系统，图4是本发明实施例的无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析系统的示意图，如图4所示，根据本发明实施例的无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析系统具体包括：

能量信号计算模块40，用于计算中继节点R

计算第一阶段中R

其中η(0＜η＜1)为能量转换效率；N

计算R

其中x

计算D从R

其中，n

节点信息与能量中断概率计算模块42，用于根据中继节点R

计算系统端到端信噪比为：

由于实际中，噪声功率N

令

计算系统链路中断的概率为：

其中系统最低所需的传输速率为R

计算中继R

其中，E

计算中继能量够用的概率。当E

系统中断概率与吞吐量计算模块44，用于根据系统链路中断的概率、中继节点R

计算系统的中断概率。系统的中断概率可描述为：P

其中K

进一步可计算系统的吞吐量为

分析模块46，用于根据系统的中断概率和系统的吞吐量对两跳多中继网络性能进行分析。分析模块46具体用于：

当源节点总发射功率、源节点天线数量、莱斯因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，随着时间分割因子的增大，系统中断概率先减小后增大；

当源节点总发射功率、源节点天线数量、时间分割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，莱斯因子越大，系统中断概率越小；

当源节点天线数量、莱斯因子、时间分割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，源端发射总功率越大，系统的吞吐量越大；

当源节点总发射功率、莱斯因子、时间分割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，当源节点天线数量越多系统吞吐量越大；

当源节点总发射功率、源节点天线数量、莱斯因子、时间分割因子、中继节点能量转化效率、源节点和中继节点相对位置等因素固定的情况下，选择两跳距离之和最短的中继节点时系统性能要优于选择第一跳距离最短的中继节点时系统性能。

本发明实施例是与上述方法实施例对应的系统实施例，各个模块的具体操作可以参照方法实施例的描述进行理解，在此不再赘述。

装置实施例一

本发明实施例提供一种无线能量传输驱动的两跳多中继网络性能分析装置，如图5所示，包括：存储器50、处理器52及存储在所述存储器50上并可在所述处理器52上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器52执行时实现步骤301-步骤304的处理。具体可参照方法实施例进行理解。

装置实施例二

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传输的实现程序，所述程序被处理器52执行时实现步骤301-步骤304的处理。具体可参照方法实施例进行理解。

本实施例所述计算机可读存储介质包括但不限于为：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。