CN105007617A - 一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了通信领域的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，包括：组网步骤：一个发送节点、若干个中继节点和一个接收节点组建无线传感器网络；上行探测步骤：使接收节点得到每个所述中继节点接与所述发送节点之间的信道增益；发射功率优化计算步骤：所述接收节点得到其与每个所述中继节点之间的信道增益，以及与所述发送节点之间的信道增益，并且对每个所述中继节点的发射功率进行优化；下行控制步骤：所述接收节点规定所述发送节点发送信息的时隙，以及每个所述中继节点发送信息的时隙，以及优化后的每个所述中继节点的发射功率；发送节点发送步骤、中继节点转发步骤和接收节点接收步骤。其技术效果是：其可以在保证接收节点正确解码的前提下，保证所有中继节点发射功率之和最小。

Description

一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法

技术领域

本发明涉通讯领域的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法。

背景技术

20世纪90年代以来具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器以及由其构成的无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)开始在世界范围内出现,引起了人们的极大关注。

无线传感器网络是由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络,其目的是借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器协作地实时感知和采集周边环境中众多的信息,并对这些信息进行处理可以使人们在任何时间、绝大多数地点和多种环境条件下获取大量详实而可靠的信息。传感器节点是无线传感器网的基本构成单位，传感器节点通常包括发送节点、中继节点和汇聚节点；传感器节点将采集到的信息通过其他传感器节点进行逐跳传输，一个发送节点所采集到的信息在传输过程中可能被多个中继节点处理，经过多跳路由后到汇聚节点，再由汇聚节点，或者说是接收节点通过外部网络把信息传送到服务器节点进行集中处理。

无线传感器网络可以看做是物联网(Internet of Things)的一种应用，第三代合作伙伴计划(3GPP，The 3rd Generation Partner Project)也提出了对物联网的支持，其中对应的部分称之为机器类型通信(MTC，Machine type Communication)。在基于LTE(Long Term Evolution，长期演进)的机器类型通信系统中，终节点设备也可以是传感器节点。

由于无线传感器网络工作在比较恶劣的环境中，传感器节点能量一般由电池供应，电源无法更换；但是无线传感器网络的生存时间需要长达数月甚至数年，传感器节点的能量受限成为其最大制约因素。作为具有中继转发功能的中继节点，其节能显得更为重要，中继节点需要对发射功率做优化以节省能量，如果不进行优化，中继节点会对所有过来的信息都以最大的功率转发，其能量很容易被耗尽，并且较大的功率发送信息还会对整个网络进行干扰，所以中继节点发射功率的优化是非常重要的环节。

目前与无线传感器网络中继节点选择及优化相关的专利主要有：

专利申请号为201410802888.0，专利名称为一种中继节点选择方法的专利申请此发明解决了现有技术存在中断概率和误码率的问题，提出了中继节点选择问题。

申请号为201110284210.4，专利名称为中继节点选择方法及装置，获取发送节点和/或接收节点的多种接入方式信息，根据多种接入方式信息选择至少一个中继节点，没有涉及中继节点发射功率优化的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，其可以在保证接收节点正确解码的前提下，保证所有中继节点发射功率之和最小。

实现上述目的的一种技术方案是：一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，包括下列步骤：

组网步骤：一个发送节点、若干个中继节点和一个接收节点组建无线传感器网络；

上行探测步骤：所述发送节点和每个所述中继节点通过上行信道发送上行探测参考信号给每个所述中继节点，每个所述中继节点接收来自所述发送节点的上行探测参考信号并计算得到其与所述发送节点之间的信道增益，并在其发送上行探测信号给所述接收节点时，将该信道增益一并发送给所述接收节点；

发射功率优化计算步骤：所述接收节点通过接收上行探测参考信号，计算其与每个所述中继节点之间的信道增益，以及其与所述发送节点之间的信道增益，并且对每个所述中继节点的发射功率进行优化；

下行控制步骤：所述接收节点发送下行控制信令给所述发送节点和每个所述中继节点，规定所述发送节点发送信息的时隙，以及每个所述中继节点发送信息的调度时隙，以及优化后的每个所述中继节点的发射功率；

发送节点发送步骤：当所述发送节点发送信息的时隙到来，所述发送节点发送信息，每个所述中继节点接收信息并且存储；

中继节点转发步骤：每个所述中继节在其调度时隙到来时刻，将其存储信息放大转发给所述接收节点，所述接收节点接收来自该中继节点的信息，该中继节点的发射功率根据下行控制信令指定的值进行调整；

接收节点接收步骤：所述接收节点接收来自每个所述中继节点的信息并进行合并，再进行解码。

进一步的，所述发送节点和所述中继节点都是能量受限的传感器节点，所述接收节点为LTE基站。

进一步的所述组网步骤中，所述发送节点和所述中继节点通过物理随机接入信道与所述接收节点组网。

进一步的所述上行探测步骤中，所述上行探测参考信号的参数由所述接收节点通过广播信息配置。

进一步的，所述下行控制步骤中，所述接收节点可以通过物理下行控制信道发送下行控制信令给所述中继节点和所述发送节点。

进一步的，所述发送节点发送步骤中当所述发送节点发送信息的时隙到来，所述发送节点发送信息，所述接收节点和每个所述中继节点接收信息并且存储。

再进一步的，所述接收节点接收骤中，所述接收节点将来自所述发送节点和每个所述中继节点的信息进行合并，再进行解码。

进一步的，所述发射功率优化计算步骤中，通过输入各所述中继节点与所述接收节点之间的信道增益，计算并且输出优化后的各所述中继节点发射功率的率值。

进一步的，所述中继节点可以调整放大转发的放大系数，将存储的信息放大转发给所述接收节点。

进一步的，所述接收节点解码时判断信息完整性，若信息不完整解码失败，则向每个所述中继节点发出重发指令。

进一步的，所述发送节点发送步骤中，所述发送节点可在发送信息的时隙结束后关闭。

采用了本发明的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法的技术方案，包括：组网步骤：一个发送节点、若干个中继节点和一个接收节点组建无线传感器网络；上行探测步骤：使接收节点得到每个所述中继节点与所述发送节点之间的信道增益；发射功率优化计算步骤：所述接收节点得到其与每个所述中继节点之间的信道增益，以及与所述发送节点之间的信道增益，并且对每个所述中继节点的发射功率进行优化；下行控制步骤：所述接收节点规定所述发送节点发送信息的时隙，以及每个所述中继节点发送信息的调度时隙，以及优化后的每个所述中继节点的发射功率；发送节点发送步骤、中继节点转发步骤和接收节点接收步骤。其技术效果是：其可以在保证接收节点正确解码的前提下，保证所有中继节点发射功率之和最小。

附图说明

图1为无线传感器网络的结构图。

图2为无线传感器网络的传输示意图。

图3为一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法的时序流程图。

图4本发明的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法的发射功率优化计算步骤的流程图。

图5本发明的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法的上行探测步骤的上行探测参考信号的示意图。

图6为本发明的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法的流程图。

具体实施方式

请参阅图1至图6，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

如图1和图2所示:本发明的一种无线传感器网络，包括：一个发送节点，若干个中继节点，以及一个接收节点。所述发送节点和所述中继节点均为传感器节点，接收节点为类似LTE系统的基站处理单元(eNB)中的数据接收和控制装置。

在无线传感器网络中，将信息从发送节点发送到接收节点，发送节点到接收节点的距离比较远，由于信道条件较差导致接收节点收到的信号较弱，很难正确解码，所以一般通过中继节点协助完成，中继节点收到发送节点的信息，在下一个时隙通过放大信号转发，接收节点通过合并不同时隙得到发送节点和中继节点的信息解码，从而得到相应的信息。

无线传感器网络采用了中继节点协作传输的传输方法，该传输方法通常分为两个阶段完成，即在两个时隙中完成的。在第二个时隙中，所述中继节点的行为可以分为两种模式，第一种模式为解码转发decode-and-forward(DaF)，第二种模式放大转发amplify-and-forward(AaF)。

对于解码转发，如图2所示，在第一个时隙中，所述发送节点发送信息到每个所述中继节点和所述接收节点，而在随后的第二个时隙中，所述中继节点解码接收到的信息并且转发到所述接收节点，所述接收节点合并来自所述发送节点的信息和每个所述中继节点的信息。

对于放大转发来说，在第一个时隙中，所述发送节点发送信息到每个所述中继节点和所述接收节点，而在第二个时隙，每个所述中继节点通过解码并放大信号传送信息到所述接收节点，然后所述接收节点合并来自所述发送节点的信息和每个所述中继节点的信息。

由于一般传感器节点都是功率受限的，所以传感器节点中处理器的处理能力有限，而解码需要传感器节点进行能量消耗，同时也对无线传感器中处理器的处理能力提出了要求，所以无线传感器网络中的中继节点基本上采用的是放大转发，用公式表示，可以得到：

$\begin{array}{c}{y}_{d1}=\sqrt{P_s}{h}_{sd}{x}_x+N_0\\ y_r=\sqrt{P_s}{h}_{sr}{x}_s+N_0\end{array}---\left(1\right)$

其中x_s表示所述发送节点所发送信息的信号幅度，y_d1表示在第一个时隙中所述接收节点所收到信息的信号幅度，而y_r表示第一个时隙中，所述中继节点所收到信息的信号幅度，h_sd和h_sr对应表示从所述发送节点到所述接收节点的信道增益以及从所述发送节点到所述中继节点的信道增益，P_s表示所述发送节点的发射功率，而P_r表示所述中继节点的发射功率，N₀分布表示相应信道噪声的信号幅度的均方根，这里假定所有信道噪声相同。

第二个时隙中经过所述中继节点放大转发后，接收节点所接收信息的信号幅度可以表示为：

$y_{d2}=\sqrt{P_r}{h}_{rd}{\mathrm{\βy}}_r+N_0---\left(2\right)$

其中y_d2表示在第二个时隙中所述接收节点所接收信息的信号幅度，y_r表示所述中继节点所接收信息的信号幅度，h_rd表示从所述中继节点到所述接收节点的信道增益，β表示对应信道放大系数。对于无线传感器网络中第i个中继节点来说，其信道放大系数的二次方β_i ²可以表示为：

${\mathrm{\β}}_i^2=\frac{p}{P_s|h_{sr}{|}^2+N_0}---\left(3\right)$

其中P_i为无线传感器网络中第i个中继节点的发射功率，所述接收节点接收信息的信道容量可以表示为：

$I=\frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\frac{P_s|h_{sd}{|}^2}{N_0}+\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{P_s\left|h_{si}{|}^2{P}_i\right|h_{id}{|}^2}{P_s|h_{si}{|}^2+P_i|h_{id}{|}^2+N_0}\right)---\left(4\right)$

h_sd表示：从所述发送节点到所述接收节点的信道增益。h_si表示从所述发送节点到无线传感器网络中第i个中继节点的信道增益，h_id表示从无线传感器网络中第i个中继节点到所述接收节点的信道增益。

通过对所述中继节点的发射功率进行优化，目标是所有中继节点发射功率之和是最小的，并且满足所述接收节点接收信息的信道容量大于阈值，这样，所述接收节点可以正确解码。

公式为：

$\begin{array}{c}\min \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i\\ \begin{array}{cc}s.t.& \frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\frac{P_s{\left|h_{sd}\right|}^2}{N_0}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{P_s{\left|h_{si}\right|}^2{P}_i{\left|h_{id}\right|}^2}{N_0\left(P_s{\left|h_{si}\right|}^2+P_i{\left|h_{id}\right|}^2+N_0\right)}\right)\≥I_{\min }\end{array}\end{array}---\left(5\right)$

用x_i代替P_i，可以归纳为如下的形式：

$\begin{array}{cc}\min & x_1+x_2+......+x_N\\ s.t.& -\mathrm{\Σ}\frac{a_i{x}_i}{b_i{x}_i+c}\≤-d\end{array}---\left(6\right)$

a_ib_ic_i都为已知系数，所以上述问题可以通过凸优化或者是博弈论方法求解，这样就可以求出最优解x_op＝(x₁,x₂,......,x_N)，这样就可以优化所述中继节点的发射功率。

在某些环境下，第一个时隙中，所述发送节点发送的信息，所述接收节点由于太远，信道条件太差，所述发送节点无法接收到，那么y_d1＝0，所述接收节点,只能收到所述中继节点放大转发的信息，则：

$I=\frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{P_s\left|h_{si}{|}^2{P}_i\right|h_{id}{|}^2}{N_0\left(P_s\right|h_{si}{|}^2+P_i|h_{id}{|}^2+N_0)}\right)---\left(7\right)$

通过输入信道增益的值，可以计算出无线传感器网络中第i个中继节点的发射功率P_i，并且每个所述中继节点发射功率的总和为最小。这样的一个计算装置如图4所示，其中输入的是所述接收节点测量得到的任意一个所述中继节点的信道增益，输出结果是计算后得到的对应中继节点的发射功率的值，数据处理部分可以通过凸优化或者博弈等算法来实现，根据已有的理论，可以证明这样一个系统能得到优化的解。

基于LTE系统的无线传感器网络来说，可以通过如下的协议来实现对所述中继节点的发射功率进行优化,协议的时序如图3所示：

实施例1

组网步骤:发送节点和所有的中继节点通过接入物理随机接入信道(PRACH Physical Random Access Channel)的方法连接接收节点，所述接收节点获得来自所述发送节点和每个所述中继节点的信息，并且获得时隙同步，形成无线传感器网络。

上行探测步骤：所述发送节点和所有的中继节点按先后顺序通过上行信道发送上行探测参考信号(sounding reference signal,SRS)，上行信道是用于上行调度、链路适配和功率控制等用途的信道，所述接收节点接收上行探测参考信号并进行解调，从而得到每个所述中继节点的上行信道的信道增益和噪声的比值SNR，可以算出每个所述中继节点的信道增益。

所述发送节点发送上行探测参考信号时候，任意一个所述中继节点均接收来自所述发送节点的上行探测参考信号并且计算从所述发送节点到其之间的信道增益，然后在其发送上行探测参考信号至所述接收节点的时候附带通知给所述接收节点。

所述上行探测参考信号的参数由所述接收节点通过广播信息配置。

所述中继节点可以调整放大转发的放大系数，将存储的信息放大转发给所述接收节点。

发射功率优化计算步骤：所述接收节点通过解码来自所述发送节点，以及每个所述中继节点的上行探测参考信号，计算得到所述发送节点到所述接收节点的信道增益，以及每个所述中继节点到所述接收节点的信道增益，通过上述输入项，计算输出每个所述中继节点的发送功率的值，每个所述中继节点的发送功率的值可以关联成索引值，如表1和表2所示。

下行控制步骤：所述接收节点发送下行控制信令给所述发送节点和每个所述中继节点，基于LTE协议的物理下行控制信道(PDCCH PhysicalDownlink Control Channel)的下行控制信令，采用PDCCH DCI 1/1A/1B格式，并通过该格式的控制位，对每个所述中继节点的发射功率的值进行控制，经过优化计算得到的每个中继节点的发射功率的值，折算成索引值。

例如,如果用PDCCH DCI 1/1A作为控制信令，利用2bits的传输功率控制位(TPC Transmission Power Control)为中继节点发射功率索引表建立每一个所述中继节点的索引值，如表1所示。

表1 中继节点发射功率索引表1

发射功率索引	发射功率的值(单位：dBm)
		1	20
2	21
		3	22
4	23

表2 中继节点发射功率索引表2

发射功率索引	发射功率的值(单位：dBm)
		1	15.5
2	16
		3	16.5
4	17
		5	17.5
6	18
		7	18.5
8	19
		9	19.5
10	20
		11	20.5
12	21
		13	21.5
14	22
		15	22.5
16	23

因为PDCCH DCI 1/1A/1B格式中的传输功率控制位只有2位，所以只能做4个索引，如果想要为更多中继节点建立索引值，可以对目前PDCCHDCI 1/1A/1B格式做修改，扩展索引值。一般来说，传感器节点的信息类型比较相似，调制阶数(MCS Modulation and Coding Scheme)索引变化不大，可以用较少的位数来表示，任意一个所述中继节点根据所述接收节点发来的下行控制信令中的调制阶数部分值做一个映射，因此可以利用物理下行控制信道中的调制阶数一部分信息位和传输功率控制位一起在中继节点发射功率索引表建立每一个所述中继节点的索引值，例如用2位调制阶数位加2位传输功率控制位，一共4位建立每一个所述中继节点的索引值，如表2所示。

表1和表2只是给出了一个参考表格，针对不同类型的传感器节点，可以定义不同的发射功率的值。

当所述发送节点通过物理下行控制信道发送下行控制信令到每个所述中继节点，并且附带对每个所述中继节点的调度信息，调度信息包括该中继节点在第二个时隙中发送信息的调度时隙。任意一个所述中继节点接收到下行控制信令后，解码并得到其发射功率的值，在下一个调度时隙以该发射功率的值发送信息。

发送节点发送步骤：当所述发送节点发送信息的时隙到来时，所述发送节点发送信息，每个所述中继节点和所述接收节点接收信息并且存储。

中继节点转发步骤：任意一个所述中继节点在调度时隙到来时放大转发其存储的信息至所述接收节点，发送功率的值为所述接收节点所配置的发送功率的值，同时发送上行探测参考信号，所述接收节点接收信息。

接收节点接收步骤：接收节点收到中继所属节点和发送节点发来的信息，进行合并信息，再进行解码，得到相应的信息，如果信息不完整，解码失败，向所述发送节点和每个所述中继节点发送重传控制信令。

实施例2

如果所述发送节点到所示接收节点的距离远，信道条件很差，所述接收节点不接收从所述发送节点发送过来的信息，只在第二个时隙中接收来自每个所述中继节点的信息，然后合并信息，在进行解码，和前一种方法相比，不同的是：

发送节点发送步骤中，当发送节点发送信息的发送时隙，即第一个时隙到来时，所述发送节点发送信息，每个所述中继节点接收信息并且存储，所述接收节点关闭。

接收节点接收步骤中，所述接收节点收到来自每个所述中继节点发来的信息，进行合并，再进行解码，得到相应的信息，如果解码不成功，向每个所述中继节点发送重传控制信令。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，包括下列步骤：

组网步骤：一个发送节点、若干个中继节点和一个接收节点组建无线传感器网络；

上行探测步骤：所述发送节点和每个所述中继节点通过上行信道发送上行探测参考信号给每个所述中继节点，每个所述中继节点接收来自所述发送节点的上行探测参考信号并计算得到其与所述发送节点之间的信道增益，并在其发送上行探测信号给所述接收节点时，将该信道增益一并发送给所述接收节点；

发射功率优化计算步骤：所述接收节点通过接收上行探测参考信号，计算其与每个所述中继节点之间的信道增益，以及其与所述发送节点之间的信道增益，并且对每个所述中继节点的发射功率进行优化；

下行控制步骤：所述接收节点发送下行控制信令给所述发送节点和每个所述中继节点，规定所述发送节点发送信息的时隙，以及每个所述中继节点发送信息的调度时隙，以及优化后的每个所述中继节点的发射功率；

发送节点发送步骤：当所述发送节点发送信息的时隙到来，所述发送节点发送信息，每个所述中继节点接收信息并且存储；

中继节点转发步骤：每个所述中继节在其调度时隙到来时刻，将其存储信息放大转发给所述接收节点，所述接收节点接收来自该中继节点的信息，该中继节点的发射功率根据下行控制信令指定的值进行调整；

接收节点接收步骤：所述接收节点接收来自每个所述中继节点的信息并进行合并，再进行解码。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，其特征在于：所述组网步骤中，所述发送节点和所述中继节点通过物理随机接入信道与所述接收节点组网。

3.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，其特征在于：所述上行探测步骤中，所述上行探测参考信号的参数由所述接收节点通过广播信息配置。

4.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，其特征在于：所述下行控制步骤中，所述接收节点可以通过物理下行控制信道发送下行控制信令给所述中继节点和所述发送节点。

5.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，其特征在于：所述发送节点发送步骤中当所述发送节点发送信息的时隙到来，所述发送节点发送信息，所述接收节点和每个所述中继节点接收信息并且存储。

6.根据权利要求5所述的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，其特征在于：所述接收节点接收骤中，所述接收节点将来自所述发送节点和每个所述中继节点的信息进行合并，再进行解码。

7.根据权利要求5所述的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，其特征在于：所述发射功率优化计算步骤中，通过输入各所述中继节点与所述接收节点之间的信道增益，计算并且输出优化后的各所述中继节点发射功率的率值。

8.根据权利要求5所述的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，其特征在于：所述中继节点可以调整放大转发的放大系数，将存储的信息放大转发给所述接收节点。

9.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，其特征在于：所述接收节点解码时判断信息完整性，若信息不完整解码失败，则向每个所述中继节点发出重发指令。

10.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中继节点发射功率优化方法，其特征在于：所述发送节点发送步骤中，所述发送节点可在发送信息的时隙结束后关闭。