一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法及系统

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1.本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法及系统。

背景技术：

2.随着物联网的发展，越来越多的物联网节点需要连接到网络中。在智能住宅，办公室，医院等场景中这么多设备都插电或者不停的充电换电池是不理想的。尤其是在恶劣环境(比如战地、森林、海洋、山川等)或者医疗保健领域(比如活体智能医疗设备、智能隐形眼镜、可穿戴小工具、植入式神经记录设备等)当中，频繁的更换电池是不现实的。另一方面，随着物联网设备数量指数级的增长，频谱拥塞现象越来越严重，限制了可部署设备的数量和信道的频谱效率。网络容量是物联网发展的重要指标，如何有效利用射频资源的能量和延长能量受限设备的使用寿命成了研究热点。不需要外部能源供应的环境反向散射通信是一种绿的网络通信模式，它从环境中获取射频能量并利用空闲频谱实现无线供电通信，在解决能量短缺和频谱拥塞方面具有很大的潜力。在提高rf信号的传输范围或者避免信号被障碍物遮挡方面，无线供能中继通信具有很大的优势，使用无线供能中继可以在能量效率和空间效率方面显著提升系统性能。但环境反向散射具有低比特率、不适用于远程通信和不易建立可靠的通信连接的特点，同时无线供电的中继器涉及主动传输，要求中继器采用较为耗电的模拟电路元件，在收集和积累能量方面可能需要花费很长的时间，并且维持信号中继的时间又很短，特别是在rf信号微弱或者间歇性间断时，这种情况会变的更加糟糕。

技术实现要素：

3.本发明为解决上述问题，将反向散射通信与无线中继通信相结合，构成绿网络通信模式，根据有无障碍物、信息来源和收集能量的多少选择不同的通信协议，实现反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法。
4.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
5.一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，基于包括能量获取、反向散射通信和中继通信三种功能的目标无线网络，针对目标无线网络中主发射器与合作接收器之间的数据传输，执行以下步骤，优化目标无线网络的数据传输速率，从而优化目标无线网络的吞吐量：
6.步骤a：基于目标无线网络中的能量信息、主发射器的任务信息、主发射器与合作接收器的障碍物信息以及环境预设信息，构建目标无线网络中的三种功能分别对应的选择策略；
7.步骤b：基于目标无线网络中的三种功能分别对应的选择策略，构建反向散射通信和中继通信两种通信模式下分别对应的数据传输速率表达式；
8.步骤c：基于反向散射通信和中继通信两种通信模式下分别对应的数据传输速率
表达式，优化目标无线网络的三种功能的工作模式，进而优化目标无线网络的数据传输速率。
9.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤a中，具体执行以下步骤，构建目标无线网络中的三种功能分别对应的选择策略：
10.步骤a1：基于目标无线网络中主发射器与合作接收器之间的障碍物信息，若主发射器与合作接收器之间存在障碍物，执行步骤a2；若主发射器与合作接收器之间不存在障碍物，执行步骤a3；
11.步骤a2：基于目标无线网络中的能量信息，若目标无线网络中的能量支持中继通信，执行步骤a2.1；若不支持中继通信，执行步骤a2.2；
12.步骤a2.1：基于目标无线网络中主发射器的任务信息，若主发射器存在需要转发的任务，则选择中继通信将任务数据传送至合作接收器；若主发射器不存在需要转发的任务，则选择能量获取进行能量收集；
13.步骤a2.2：基于目标无线网络中主发射器的任务信息，若主发射器存在需要转发的任务，则选择反向散射通信将任务数据传送至合作接收器；若主发射器不存在需要转发的任务，则选择能量获取进行能量收集；
14.步骤a3：基于目标无线网络中环境预设信息，若存在需要发送的环境预设信息的任务，则选择反向散射通信将任务数据传送至合作接收器；若不存在需要发送的环境预设信息的任务，则选择能量获取进行能量收集。
15.作为本发明的一种优选技术方案，所述目标无线网络中的能量为能量获取功能进行能量收集获得，基于能量获取功能的选择策略，能量获取时间周期为(1-μ-γ)β+α(1-β)，进而目标无线网络中获取的能量eh为：eh＝[(1-μ-γ)β+α(1-β)]ph；
[0016]
其中，α表示无障碍物时的能量获取时间，μ表示有障碍物时的中继通信时间，γ表示有障碍物时的反向散射通信时间，β表示障碍物出现的时间概率，(1-β)表示无障碍物的时间概率，ph表示目标无线网络从主发射器发出的射频信号中获得的功率，(1-μ-γ)表示存在障碍物时能量获取时间。
[0017]
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤b中，具体执行以下步骤，构建反向散射通信和中继通信两种通信模式下分别对应的数据传输速率表达式；
[0018]
步骤b1：基于中继通信功能的选择策略，构建中继通信模式的数据传输速率表达式，如下公式所示：
[0019][0020]
式中，α表示无障碍物时能量获取的时间，μ表示有障碍物时中继通信的时间，γ表示有障碍物时反向散射通信的时间，β表示障碍物出现的时间概率，(1-β)表示无障碍物的时间概率，ph表示从主发射器发出的射频信号中获得的功率，(1-μ-γ)表示存在障碍物时能量获取的时间，η∈[0,1]表示数据传输的效率，b表示主信道的带宽，p0＝n0/ζ表示噪声功率n0与信道增益系数ζ的比值，表示零均值加性高斯白噪声，ec表示目标无线网络的能量损耗；
[0021]
步骤b2：基于反向散射通信功能的选择策略，构建反向散射通信模式的传输速率表达式，如下公式所示：
[0022]
[0023]
式中，(1-α)表示无障碍物时反向散射通信的时间，rb表示反向散射通信的传输速率。
[0024]
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤c中，具体执行以下步骤，优化目标无线网络的数据传输速率；
[0025]
步骤c1：基于反向散射通信和中继通信两种通信模式下分别对应的数据传输速率表达式，获得反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和；
[0026]
步骤c2：基于反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，结合粒子优化算法，以反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和最大化为目标，优化目标无线网络的三种功能的工作模式，进而优化目标无线网络的数据传输速率。
[0027]
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤c1中，反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，如下公式所示：
[0028][0029]
式中，tr表示中继通信的数据传输速率，tb表示反向散射通信的传输速率，α表示无障碍物时的能量获取时间，μ表示有障碍物时的中继通信时间，γ表示有障碍物时的反向散射通信时间，β表示障碍物出现的时间概率，(1-β)表示无障碍物的时间概率，ph表示目标无线网络从主发射器发出的射频信号中获得的功率，(1-μ-γ)表示存在障碍物时能量获取时间，η∈[0,1]表示数据传输的效率，b表示主信道的带宽，p0＝n0/ζ表示噪声功率n0与信道增益系数ζ的比值，表示零均值加性高斯白噪声，ec表示目标无线网络的能量损耗；(1-α)表示无障碍物时反向散射通信的时间，rb表示反向散射通信的传输速率。
[0030]
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤c2中，基于反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，结合粒子优化算法，具体执行以下步骤，优化目标无线网络的三种功能的工作模式，进而优化目标无线网络的数据传输速率：
[0031]
步骤c2.1：将三种功能分别对应的待优化参数作为粒子，初始化粒子体x，x＝(x1,x2…
,xm)，表示第i个粒子，即第i个粒子在三维空间中的位置为xi，分别为三种功能分别对应的待优化参数，粒子体x中的各粒子分别带入反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，获得各粒子分别对应的适应度，适应度最大的粒子位置为体最佳位置
[0032]
步骤c2.2：基于粒子体x，体最佳位置结合预设最大迭代次数，迭代执行以下过程，迭代更新体最佳位置，最终获得的体最佳位置作为优化后的待优化参数，进而优化目标无线网络的三种功能的工作模式：
[0033]
步骤c2.2.1：基于粒子运动更新粒子体x，针对更新后粒子体x中的各个粒子，分别带入反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，获得各粒子分别对应的适应度，将各粒子适应度与其更新前的适应度进行比较，保留适应度大的粒子，更新粒子体x，进而更新体最佳位置；
[0034]
步骤c2.2.2：判断当前迭代次数是否达到最大迭代次数，若达到最大迭代次数，迭
代结束，输出体最佳位置；若未达到最大迭代次数，返回步骤c2.2.1，进入下一次迭代。
[0035]
作为本发明的一种优选技术方案，所述基于粒子运动更新粒子体x，粒子体x中各粒子通过以下公式进行更新：
[0036][0037][0038]
式中，表示当前迭代中第i个粒子中第d个待优化参数的速度，表示上一次迭代中第i个粒子中第d个待优化参数的速度，i＝1,2,
…
,m，d＝1,2,3；w表示惯性因子，为非负数；c1、c2表示学习因子，为非负常数；r1、r2为[0,1]范围内的随机变化数；表示当前迭代中基于粒子运动第i个粒子中第d个待优化参数更新的位置，表示上一次迭代中基于粒子运动第i个粒子中第d个待优化参数更新的位置；表示上一次迭代输出的第i个粒子第d个待优化参数的位置，表示上一次迭代输出的体最佳位置中第d个待优化参数的位置。
[0039]
作为本发明的一种优选技术方案，所述三种功能分别对应的待优化参数分别为无障碍物时能量获取的时间α、有障碍物时中继通信的时间μ、有障碍物时反向散射通信的时间γ。
[0040]
一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化系统，应用于权利要求1所述一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，其特征在于：包括网络控制模块、增强型反向散射模块、网络优化模块，
[0041]
网络控制模块用于获取目标无线网络中主发射器与合作接收器之间障碍物信息、目标无线网络中的能量信息、主发射器的任务信息；
[0042]
增强型反向散射模块用于提供能量获取、反向散射通信和中继通信三种功能，并基于网络控制模块提供的信息对能量获取、反向散射通信和中继通信三种功能进行选择；
[0043]
网络优化模块用于基于三种功能的选择策略，对三种功能的工作模式进行优化。
[0044]
本发明的有益效果是：本发明提供一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法及系统，在传统的无线中继网络中加入环境反向散射功能，为目标无线网络提供了包括能量获取、反向散射通信和中继通信三种功能，并且结合网络中主发射器与合作接收器之间障碍物信息、需要转发传递的信息情况和能量获取情况选择不同的功能运行。本发明将反向散射通信和无线中继通信相结合，集反向散射通信和无线中继通信的优点与一体，提高了传输速率，保障了服务质量。这不仅延伸了无线网络的覆盖范围，也提高了次级网络的吞吐量，降低了能耗，保证了次级系统的通信质量。本发明通过实时采集并自适应的改变网络状态信息，根据状态信息实时选择不同的通信协议，灵活性更高，适应性更强。
附图说明
[0045]
图1为本发明提供的反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法实现的效果图；
[0046]
图2为本发明提供的三种功能模式效果图；
[0047]
图3为本发明提供的反向散射辅助无线中继网络吞吐量优化的时间分配方案效果
图；
[0048]
图4为本发明提供的反向散射辅助无线中继网络吞吐量流程图；
[0049]
图5为本发明中变量μ、γ随α变化的关系约束图；
[0050]
图6为本发明实施例中三种案例的吞吐量t与中继通信时间周期μ和反向散射通信时间周期γ之间的变化关系图；
[0051]
图7为本发明实施例中β取不同值时三种案例的性能比较图。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图对本发明进行进一步说明。下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
[0053]
如图1所示，本实施例提供了一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，在反向散射辅助无线中继网络中结合网络控制器，获取网络中pt与cr之间障碍物信息、需要转发传递的信息情况和ebd的能量获取情况，根据有无障碍物、是否需要转发传递信息和能量获取的大小选择不同的功能协议。在本实施例中，在传统的无线中继网络中加入环境反向散射功能构成ebd(增强型反向散射模块)，ebd可以包括eh(能量获取)、relaycom(中继通信)和backcom(反向散射通信)三种功能模式，同时ebd设计为单天线结构，次级系统以tdma的方式传输数据给cr，所以同一时间单元一个ebd只向一个cr发送信号；根据有无障碍物、是否需要转发传递信息和能量获取的大小选择不同的通信协议，这不仅延伸了无线网络的覆盖范围，也提高了次级网络的吞吐量，降低了能耗，保证了次级系统的通信质量。相比于单独使用反向散射或者中继协议通信网络，反向散射发射机与能量采集装置相结合使得反向散射辅助无线中继的功耗极低，它通过能量获取，在主动relaycom和backcom两种传输模式的切换中实现数据的转发和传递。
[0054]
本实施例中，主发射器为图1中的pt设备，pt是整个系统的供能和原始信号发送设备，一般是指信号塔，路由器等信号发送设备。合作接收器为主接收器和次接收器的集合，主接收器为接收pt信号的设备，比如手机，智能手表，传感器等，次接收器为接收ebd产生的信号的设备，可以嵌入到主接收器中或者直接采用主接收器进行接收ebd信号。本实施例中为了区分所接收信号的来源，把接收器分成了主接收器和次接收器，即合作接收器，所以，合作接收器通常指可接收信号的一切装置，包括手机，智能家居中的各种接收设备，智能工厂中智能设备，各种传感器等。通过反向散射和无线供电中继的结合可以很大程度上提高传输速率、降低能耗、提高无线数据传输的可靠性。
[0055]
另外，本实施例提供一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化系统，应用于所述一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，其特征在于：包括网络控制模块、增强型反向散射模块、网络优化模块，网络控制模块用于获取目标无线网络中主发射器与合作接收器之间障碍物信息、目标无线网络中的能量信息、主发射器的任务信息；增强型反向散射模块用于提供能量获取、反向散射通信和中继通信三种功能，并基于网络控制模块提供的信息对能量获取、反向散射通信和中继通信三种功能进行选择；网络优化模块用于基于三种功能的选择策略，对三种功能的工作模式进行优化，并将优化后的三种功能工作模式反馈给增强型反向散射模块。网络控制器采用传感器和fpga(现场可编程逻辑门阵列)开发板即可实现其功能。
[0056]
因此本方案中，基于包括能量获取、反向散射通信和中继通信三种功能的目标无线网络，如图2所示，针对目标无线网络中主发射器与合作接收器之间的数据传输，执行以下步骤a-c，优化目标无线网络的数据传输速率，从而优化目标无线网络的吞吐量。
[0057]
步骤a：基于目标无线网络中的能量信息、主发射器的任务信息、主发射器与合作接收器的障碍物信息以及环境预设信息，构建目标无线网络中的三种功能分别对应的选择策略，如图4所示。
[0058]
本实施例中的能量获取模式eh如图2所示，ebd都能收集空间射频能量。每个ebd节点都将收集的能量存储在自身配备的大容量储能设备中，能量储备的参数包括容量、中继通信模式所需最小能量储备、能量值等。eh的作用有两个：一是为relaycom模式做准备，为有源relaycom模式提供能量源，二是ebd内部消耗；储能设备在收集能量的过程中更新参数信息，主要更新内容为当前ebd收集的能量值、能量是否已经达到中继通信模式所需的最小能量储备以及储能设备是否已充满；根据能量储备参数判断ebd当前转发数据可使用的通信模式，通信模式分为relaycom和backcom两种。
[0059]
本实施例中的中继通信模式relaycom如图2所示，中继通信模式可以转发pt的信息给cr，有数据传输速率高、传输距离远和通信连接可靠的优点；从传输速率上考虑，relaycom以有源的方式主动传输pt的信息给cr，其传输速率大于以无源方式被动传输数据模式backcom；从传输距离上考虑，relaycom以有源的方式主动传输pt的信息给cr，其传输距离大于backcom的传输距离，适用于远程通信；从通信连接可靠性上考虑，relaycom发射器的功率易于控制，易建立可靠的通信连接。
[0060]
本实施例中的反向散射通信模式backcom如图2所示，反向散射通信模式可以转发pt的信息给cr或者发送自身信息即环境预设信息给cr，有能耗低、频谱效率高和传输速率与环境无关的优点。从传输功耗上考虑，backcom以无源的方式被动传输信息给cr，不需要主动产生rf信号，不需要专用的能量源，功耗较低；从频谱效率上考虑，backcom以无源的方式被动传输信息给cr，载波源是环境发射器，不需要专用频谱，频谱效率更高；从传输速率与环境的关系方面考虑，backcom时，cr采用的解码方式为平均机制，来自环境发射器的自干扰不会显著降低backcom的性能，其传输速率与环境无关。
[0061]
因此，所述步骤a中，具体执行以下步骤，构建目标无线网络中的三种功能分别对应的选择策略：
[0062]
步骤a1：基于目标无线网络中主发射器与合作接收器之间的障碍物信息，若主发射器与合作接收器之间存在障碍物，执行步骤a2；若主发射器与合作接收器之间不存在障碍物，执行步骤a3；
[0063]
步骤a2：基于目标无线网络中的能量信息，若目标无线网络中的能量支持中继通信，执行步骤a2.1；若不支持中继通信，执行步骤a2.2；
[0064]
步骤a2.1：基于目标无线网络中主发射器的任务信息，若主发射器存在需要转发的任务，则选择中继通信将任务数据传送至合作接收器；若主发射器不存在需要转发的任务，则选择能量获取进行能量收集；
[0065]
步骤a2.2：基于目标无线网络中主发射器的任务信息，若主发射器存在需要转发的任务，则选择反向散射通信将任务数据传送至合作接收器；若主发射器不存在需要转发的任务，则选择能量获取进行能量收集；
[0066]
步骤a3：基于目标无线网络中环境预设信息，若存在需要发送的环境预设信息的任务，则选择反向散射通信将任务数据传送至合作接收器；若不存在需要发送的环境预设信息的任务，则选择能量获取进行能量收集。反向散射功能就包含了感知信息的传感器功能，环境预设信息包括感知周围环境的温度，湿度，强度等。
[0067]
综上，控制器汇总pt和cr之间有无障碍物信息、需要转发传递的信息来源和能量获取情况，选择不同的通信协议。大概为：控制器收集pt和cr之间los通信链路的通信情况，以单比特的形式传给ebd。若无障碍物遮挡，可直接通信，则ebd运行eh或者backcom协议；若有障碍物遮挡，则ebd运行eh、relaycom或者backcom协议；控制器收集ebd需要转发传递的信息来源，以单比特的形式传给ebd，若来源于pt，则ebd运行eh、relaycom或者backcom协议，若来源于ebd自身，则ebd运行relaycom或者backcom协议；控制器汇总ebd的能量获取情况，能量获取的参数包括储能设备的最大容量、中继通信模式内部电路消耗、当前储存能量值等。若获取的能量已经达到储能设备的最大值，则停止获能，否则可继续获能；若获取的能量已经大于relaycom模式的内部电路消耗，则可运行relaycom协议，否则运行eh或者backcom协议。
[0068]
ebd总吞吐量为采用relaycom模式和backcom模式转发和传递数据量的和。在pt发送的信息需要ebd转发时，ebd选择可用的通信模式，relaycom或者backcom两种。relaycom模式数据传输速率更大，距离更远，通信连接更可靠，但是为有源数据通信，需要消耗的能量更多，频谱效率更低。backcom模式数据传输速率较小，为无源数据通信，耗能几乎为0，频谱效率更高。同时，常规中继器采用的模拟电路元件(例如混频器、放大器、滤波器以及振荡器等)较为耗电，为了中继信号在收集和积累能量方面可能需要花费很长的时间，并且维持信号中继的时间又很短，在环境rf信号微弱或者间歇性间断时，这种情况将会变的更加糟糕。而环境反向散射中获能然后协作的协议可以缓解这种情况，relaycom和backcom协作，通过优化能量收集和信息转发的时间分配，以最大化吞吐量。
[0069]
在本实施例中，将如图3中所示左右两图有障碍物和无障碍物的时间总和作为一个时间单元，从而基于该时间单元对各个流程的时间进行分配表示，如图3所示环境反向散射辅助无线中继网络吞吐量优化的时间分配方案，进而最终求出的各个时间参数都是小于1的小数。
[0070]
所述目标无线网络中的能量为能量获取功能进行能量收集获得，基于能量获取功能的选择策略，ebd一直有获取射频能量的客观条件，满足中继传输的能量需求，分为pt和cr之间无障碍物和存在障碍物两种情况。具体为：ebd始终是暴露在pt辐射范围之内，当pt和cr之间无障碍物时，以backcom的模式传输自身数据或者从环境射频信号中获取能量为relaycom模式做准备；当有障碍物遮挡，同时，从控制器中获悉ebd收集的能量不足以支撑其内部电路消耗，需要反向散射辅助中继通信或者获取能量。因此，能量获取时间周期为(1-μ-γ)β+α(1-β)，进而目标无线网络中获取的能量eh为：eh＝[(1-μ-γ)β+α(1-β)]ph；
[0071]
其中，α表示无障碍物时的能量获取时间，μ表示有障碍物时的中继通信时间，γ表示有障碍物时的反向散射通信时间，β表示障碍物出现的时间概率，(1-β)表示无障碍物的时间概率，ph表示目标无线网络从主发射器发出的射频信号中获得的功率，(1-μ-γ)表示存在障碍物时能量获取时间。
[0072]
步骤b：基于目标无线网络中的三种功能分别对应的选择策略，构建反向散射通信
和中继通信两种通信模式下分别对应的数据传输速率表达式。
[0073]
所述步骤b中，具体执行以下步骤，构建反向散射通信和中继通信两种通信模式下分别对应的数据传输速率表达式；
[0074]
relaycom模式主要发生在有障碍物遮挡时，分为ebd储存能量值超过其本身电路消耗和储存能力值小于其本身电路消耗两种情况。具体为若ebd储存能量已超过本身电路消耗且pt需要发送信息到cr，则直接通过relaycom模式转发数据，保证信号传输的有效性；若ebd储存能量小于本身电路消耗则收集能量或者通过反向散射模式发送数据，保证信号传输的有效性。
[0075]
步骤b1：基于中继通信功能的选择策略，构建中继通信模式的数据传输速率表达式，如下公式所示：
[0076][0077]
式中，α表示无障碍物时能量获取的时间，μ表示有障碍物时中继通信的时间，γ表示有障碍物时反向散射通信的时间，β表示障碍物出现的时间概率，(1-β)表示无障碍物的时间概率，ph表示从主发射器发出的射频信号中获得的功率，(1-μ-γ)表示存在障碍物时能量获取的时间，η∈[0,1]表示数据传输的效率，b表示主信道的带宽，p0＝n0/ζ表示噪声功率n0与信道增益系数ζ的比值，表示零均值加性高斯白噪声，ec表示目标无线网络的能量损耗。
[0078]
backcom模式可发生在有障碍物和无障碍物两种情况下。具体为：当有障碍物遮挡时，若ebd收集的能量不足以支撑其内部电路消耗，则需要反向散射通信辅助中继转发pt的信息到cr；当无障碍物遮挡时，pt可以直接发信息给cr，不需要ebd的中继功能，此时ebd需要以被动的方式反向散射自身数据即环境预设信息到cr或者收集能量。
[0079]
步骤b2：基于反向散射通信功能的选择策略，构建反向散射通信模式的传输速率表达式，如下公式所示：
[0080][0081]
式中，(1-α)表示无障碍物时反向散射通信的时间，rb表示反向散射通信的传输速率。
[0082]
步骤c：基于反向散射通信和中继通信两种通信模式下分别对应的数据传输速率表达式，优化目标无线网络的三种功能的工作模式，进而优化目标无线网络的数据传输速率。
[0083]
所述步骤c中，具体执行以下步骤，优化目标无线网络的数据传输速率；
[0084]
步骤c1：基于反向散射通信和中继通信两种通信模式下分别对应的数据传输速率表达式，获得反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和；在如图3所示的一个时间单元内，单个ebd的传输速率为中继通信模式和反向散射模式的传输速率的和，如下公式所示：
[0085]
式中，tr表示中继通信的数据传输速率，tb表示反向散射通信的传输速率，α表示无障碍物时的能量获取时间，μ表示有障碍物时的中继通信时间，γ表示有障碍物时的反向散
射通信时间，β表示障碍物出现的时间概率，(1-β)表示无障碍物的时间概率，ph表示目标无线网络从主发射器发出的射频信号中获得的功率，(1-μ-γ)表示存在障碍物时能量获取时间，η∈[0,1]表示数据传输的效率，b表示主信道的带宽，p0＝n0/ζ表示噪声功率n0与信道增益系数ζ的比值，表示零均值加性高斯白噪声，ec表示目标无线网络的能量损耗；(1-α)表示无障碍物时反向散射通信的时间，rb表示反向散射通信的传输速率。
[0086]
本发明研究目标是保证所有用户的服务质量(quality of service，qos)前提下，使次级系统的吞吐量最大化。已经求出ebd传输速率的表达式，接下来是对三种工作模式优化，出其平衡点，即出α，μ和γ的值，使得ebd传输速率最大化。要出使t(α,μ,γ)最大化的三个参数α,μ和γ的值，我们先分析三个参数的取值范围及变化关系，为了更直观的显示，在图5中画出其大致变化曲线。图5中两条曲线分别代表变量μ和γ随变量α的变化情况。μ和γ两个变量的变化曲线都在0到1之间，并且μ+γ的值也在0到1之间。首先看曲线μ的变化情况，在α取值接近于0时，μ的取值为0，这是因为ebd在通过relaycom模式传输数据时存在电路的内消耗问题。随着α的增大，μ的值快速增大，直至接近于1。关于μ的变化曲线是否会下降，还和具体环境中β的具体取值有关。然后看曲线γ的变化情况，在α取值接近于0时，γ的取值接近1，这是因为此时间段relaycom模式未启动，只能通过反向散射通信模式传输数据，随着α的增大，γ的值快速减小，直至接近于0。由于中继通信模式采用active的方式通信，反向散射通信模式采用passive的方式通信，所以中继通信速率明显大于反向散射通信速率。本发明先考虑通信速率最大值的存在性问题。由于加性高斯白噪声不影响三个参数α、μ和γ的求解，求解过程中可先略去。求ebd传输速率的最大化即是求t(α,μ,γ)的最大值。
[0087]
根据以上描述，ebd的传输速率t(α,μ,γ)虽然有三个变量α,μ,γ，但是变量之间有一定的关系。由于基本粒子算法需要确定的参数不多，而且操作简单，使用比较方便。当β取0和1之间的值时，本发明引入粒子优化算法，按照如下思路求解。
[0088]
步骤c2：基于反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，结合粒子优化算法，以反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和最大化为目标，优化目标无线网络的三种功能的工作模式，进而优化目标无线网络的数据传输速率。
[0089]
所述步骤c2中，基于反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，结合粒子优化算法，具体执行以下步骤，优化目标无线网络的三种功能的工作模式，进而优化目标无线网络的数据传输速率：
[0090]
步骤c2.1：将三种功能分别对应的待优化参数作为粒子，初始化粒子体x，x＝(x1,x2…
,xm)，表示第i个粒子，即第i个粒子在三维空间中的位置是xi，分别为三种功能分别对应的待优化参数，粒子体x中的各粒子分别带入反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，获得各粒子分别对应的适应度，适应度最大对应的粒子位置为体最佳位置所述三种功能分别对应的待优化参数分别为无障碍物时能量获取的时间α、有障碍物时中继通信的时间μ、有障碍物时反向散射通信的时间γ。
[0091]
步骤c2.2：基于粒子体x，体最佳位置结合预设最大迭代次数，迭代执行以下过程，迭代更新体最佳位置，最终获得的体最佳位置作为优化后的
待优化参数，进而优化目标无线网络的三种功能的工作模式：
[0092]
步骤c2.2.1：基于粒子运动更新粒子体x，针对更新后粒子体x中的各个粒子，分别带入反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，获得各粒子分别对应的适应度，将各粒子适应度与其更新前的适应度进行比较，保留适应度大的粒子，更新粒子体x，进而更新体最佳位置；
[0093]
步骤c2.2.2：判断当前迭代次数是否达到最大迭代次数，若达到最大迭代次数，迭代结束，输出体最佳位置；若未达到最大迭代次数，返回步骤c2.2.1，进入下一次迭代。
[0094]
作为本发明的一种优选技术方案，所述基于粒子运动更新粒子体x，粒子体x中各粒子通过以下公式进行更新：
[0095][0096][0097]
式中，表示当前迭代中第i个粒子中第d个待优化参数的速度，表示上一次迭代中第i个粒子中第d个待优化参数的速度，i＝1,2,
…
,m，d＝1,2,3；w表示惯性因子，为非负数；c1、c2表示学习因子，为非负常数；r1、r2为[0,1]范围内的随机变化数；表示当前迭代中基于粒子运动第i个粒子中第d个待优化参数更新的位置，表示上一次迭代中基于粒子运动第i个粒子中第d个待优化参数更新的位置；表示上一次迭代输出的第i个粒子第d个待优化参数的位置，表示上一次迭代输出的体最佳位置中第d个待优化参数的位置。第一部分为粒子先前的速度；第二部分为“认知”部分，表示粒子本身的思考，可解释为一个得到加强的随机行为在将来更有可能出现，并假设获得正确的知识是得到加强的，这样的一个模型假定粒子被激励着去减小误差；第三部分为“社会”部分，表示粒子间的信息共享和相互合作，可解释为粒子本身是被其他粒子所模仿，即作为一个体中粒子运动的参考。
[0098]
此优化算法参数主要包括：体规模m，惯性权重w，加速常数c1和c2，最大速度v
max
，最大迭代次数maxitera。惯性权重使粒子保持运动的惯性，使其具有扩展搜索空间的趋势，有能力探索新的区域，令w＝1，加速常数c1＝c2＝2，代表将每个粒子推向粒子最佳位置pbest和体最佳位置gbest位置的统计加速项的权重，此权重值较低时允许粒子在被拉回之前可以在目标区域外徘徊，而权重值较高时将导致粒子突然冲向或者越过目标区域。v
max
决定求解区间的精度，设计大小合适，避免粒子飞过好位置或者陷入局部最优，决定求解区间的精度，设计大小合适，避免粒子飞过好位置或者陷入局部最优，即粒子的速度vi被一个最大速度所限制。v
max
为常数，根据本发明的优化问题设定。
[0099]
本实施例中，ebd最大吞吐量和其对应变量值的求解算法过程如下所示：
[0100][0101][0102]
在本实施例中，我们通过仿真模拟说明障碍物环境中反向散射辅助无线中继通信的有效性。我们假设ebd在中继通信模式中，数据传输的效率η为0.7，信号带宽b为20mhz，反向散射信号的数据速率rb为2
×
105bit/s，周期μ内的电路能量损耗ec为0.001w，加性高斯白
噪声在性能分析中可忽略不计。考虑到中继通信模式需要消耗更多的能量，在无障碍物环境中，ebd能量获取时间周期α可以根据反向散射通信所需传输信息量设置不同的值，同时，为了在三维空间中可视化目标函数随变量的变化，在不影响实验性质的情况下可固定一个变量。接下来，我们研究障碍物环境中反向散射辅助无线中继通信、只有中继通信和只有反向散射通信三种案例系统吞吐量的变化对比情况。为了便于观察，我们把三种案例的系统吞吐量随着参数变化的图形放在同一个仿真图形中展示。同时，利用粒子优化方法求出三种案例的最大吞吐量和对应的参数值。图6展现了三种案例中吞吐量t与中继通信时间周期μ和反向散射通信时间周期γ之间的变化关系。通过这个图形，我们不难发现反向散射辅助无线中继通信的吞吐量最大，反向散射通信的吞吐量最小，无线中继通信的吞吐量居于二者之间。其次，三种案例的吞吐量都是一个平滑的曲面，都存在各自的最大值。通过算法1得出，反向散射辅助无线中继通信的吞吐量t的最大值为6.0321
×
105bit/s，对应无障碍物时ebd获取能量时间周期α，有障碍物时中继通信时间周期μ和有障碍物时反向散射通信时间周期γ三个参数的值分别为0.8，0.3，0。只存在无线中继通信的吞吐量t
or
的最大值为5.7521
×
105bit/s，对应α、μ和γ三个参数的值分别为0.8，0.3，0。只存在反向散射通信的吞吐量t
ob
的最大值为2
×
105bit/s，对应α，μ和γ三个参数的值分别为0，0，1。图6中吞吐量的值从大到小依次用颜渐变表示。
[0103]
图7为β取不同值时反向散射辅助无线中继通信、只存在中继通信和只存在反向散射通信的性能比较。其中各曲线含义为吞吐量随β的变化曲线，从图7可以看出，反向散射辅助无线中继通信的吞吐量最大，只存在中继通信时吞吐量次之，只存在反向散射通信时吞吐量最小。当β＝0.5时，反向散射辅助无线中继通信吞吐量取最大值6.8796
×
105bit/s，当β＝0.6时，只存在中继通信的吞吐量取最大值6.7125
×
105bit/s，当β＝0时，只存在反向散射通信吞吐量最大值为4.0
×
104bit/s。
[0104]
因此，我们评估了所提出的障碍物环境中反向散射辅助无线中继通信的有效性和优越性，分析了三种通信模式达到平衡时最优的时间方案，并且解析的说明了这种平衡的存在性、唯一性和稳定性，同时证明了所提算法的有效性。在障碍物环境中反向散射辅助无线中继通信可以大大提高系统吞吐量和信道的频谱效率，一定程度上解决频谱拥塞问题并且提高了信道的频谱效率。这为6g环境的复杂性和频谱的紧缺性提供了有效参考。
[0105]
本发明设计了一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法及系统，在传统的无线中继网络中加入环境反向散射功能，为目标无线网络提供了包括能量获取、反向散射通信和中继通信三种功能，并且结合获取网络中主发射器与合作接收器之间障碍物信息、需要转发传递的信息情况和能量获取情况，选择不同的功能运行，本发明将反向散射通信和无线中继通信相结合，集反向散射通信和无线中继通信的优点与一体，这不仅延伸了无线网络的覆盖范围，提高了传输速率，也提高了次级网络的吞吐量，降低了能耗，保证了次级系统的通信质量。本发明通过实时采集并自适应的改变网络状态信息，根据状态信息实时选择不同的通信协议，灵活性更高，适应性更强。
[0106]
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均
同理在本发明专利保护范围之内。

技术特征：

1.一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，其特征在于：基于包括能量获取、反向散射通信和中继通信三种功能的目标无线网络，针对目标无线网络中主发射器与合作接收器之间的数据传输，执行以下步骤，优化目标无线网络的数据传输速率，从而优化目标无线网络的吞吐量：步骤a：基于目标无线网络中的能量信息、主发射器的任务信息、主发射器与合作接收器的障碍物信息以及环境预设信息，构建目标无线网络中的三种功能分别对应的选择策略；步骤b：基于目标无线网络中的三种功能分别对应的选择策略，构建反向散射通信和中继通信两种通信模式下分别对应的数据传输速率表达式；步骤c：基于反向散射通信和中继通信两种通信模式下分别对应的数据传输速率表达式，优化目标无线网络的三种功能的工作模式，进而优化目标无线网络的数据传输速率。2.根据权利要求1所述一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，其特征在于：所述步骤a中，具体执行以下步骤，构建目标无线网络中的三种功能分别对应的选择策略：步骤a1：基于目标无线网络中主发射器与合作接收器之间的障碍物信息，若主发射器与合作接收器之间存在障碍物，执行步骤a2；若主发射器与合作接收器之间不存在障碍物，执行步骤a3；步骤a2：基于目标无线网络中的能量信息，若目标无线网络中的能量支持中继通信，执行步骤a2.1；若不支持中继通信，执行步骤a2.2；步骤a2.1：基于目标无线网络中主发射器的任务信息，若主发射器存在需要转发的任务，则选择中继通信将任务数据传送至合作接收器；若主发射器不存在需要转发的任务，则选择能量获取进行能量收集；步骤a2.2：基于目标无线网络中主发射器的任务信息，若主发射器存在需要转发的任务，则选择反向散射通信将任务数据传送至合作接收器；若主发射器不存在需要转发的任务，则选择能量获取进行能量收集；步骤a3：基于目标无线网络中环境预设信息，若存在需要发送的环境预设信息的任务，则选择反向散射通信将任务数据传送至合作接收器；若不存在需要发送的环境预设信息的任务，则选择能量获取进行能量收集。3.根据权利要求2所述一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，其特征在于：所述目标无线网络中的能量为能量获取功能进行能量收集获得，基于能量获取功能的选择策略，能量获取时间周期为(1-μ-γ)β+α(1-β)，进而目标无线网络中获取的能量e
h
为：e
h
＝[(1-μ-γ)β+α(1-β)]p
h
；其中，α表示无障碍物时的能量获取时间，μ表示有障碍物时的中继通信时间，γ表示有障碍物时的反向散射通信时间，β表示障碍物出现的时间概率，(1-β)表示无障碍物的时间概率，p
h
表示目标无线网络从主发射器发出的射频信号中获得的功率，(1-μ-γ)表示存在障碍物时能量获取时间。4.根据权利要求1所述一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，其特征在于：所述步骤b中，具体执行以下步骤，构建反向散射通信和中继通信两种通信模式下分别对应的数据传输速率表达式；
步骤b1：基于中继通信功能的选择策略，构建中继通信模式的数据传输速率表达式，如下公式所示：式中，α表示无障碍物时能量获取的时间，μ表示有障碍物时中继通信的时间，γ表示有障碍物时反向散射通信的时间，β表示障碍物出现的时间概率，(1-β)表示无障碍物的时间概率，p
h
表示从主发射器发出的射频信号中获得的功率，(1-μ-γ)表示存在障碍物时能量获取的时间，η∈[0，1]表示数据传输的效率，b表示主信道的带宽，p0＝n0/ζ表示噪声功率n0与信道增益系数ζ的比值，表示零均值加性高斯白噪声，e
c
表示目标无线网络的能量损耗；步骤b2：基于反向散射通信功能的选择策略，构建反向散射通信模式的传输速率表达式，如下公式所示：式中，(1-α)表示无障碍物时反向散射通信的时间，r
b
表示反向散射通信的传输速率。5.根据权利要求1所述一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，其特征在于：所述步骤c中，具体执行以下步骤，优化目标无线网络的数据传输速率；步骤c1：基于反向散射通信和中继通信两种通信模式下分别对应的数据传输速率表达式，获得反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和；步骤c2：基于反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，结合粒子优化算法，以反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和最大化为目标，优化目标无线网络的三种功能的工作模式，进而优化目标无线网络的数据传输速率。6.根据权利要求5所述一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，其特征在于：所述步骤c1中，反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，如下公式所示：式中，t
r
表示中继通信的数据传输速率，t
b
表示反向散射通信的传输速率，α表示无障碍物时的能量获取时间，μ表示有障碍物时的中继通信时间，γ表示有障碍物时的反向散射通信时间，β表示障碍物出现的时间概率，(1-β)表示无障碍物的时间概率，p
h
表示目标无线网络从主发射器发出的射频信号中获得的功率，(1-μ-γ)表示存在障碍物时能量获取时间，η∈[0，1]表示数据传输的效率，b表示主信道的带宽，p0＝n0/ζ表示噪声功率n0与信道增益系数ζ的比值，表示零均值加性高斯白噪声，e
c
表示目标无线网络的能量损耗；(1-α)表示无障碍物时反向散射通信的时间，r
b
表示反向散射通信的传输速率。7.根据权利要求6所述一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，其特征在于：所述步骤c2中，基于反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，结合粒子优化算法，具体执行以下步骤，优化目标无线网络的三种功能的工作模式，进而优化目标无线网络的数据传输速率：步骤c2.1：将三种功能分别对应的待优化参数作为粒子，初始化粒子体x，x＝(x1，x2...，x
m
)，表示第i个粒子，即第i个粒子在三维空间中的位置为x
i
，分别为三种功能分别对应的待优化参数，粒子体x中的各粒子分别带入反向
散射通信和中继通信的数据传输速率之和，获得各粒子分别对应的适应度，适应度最大的粒子位置为体最佳位置步骤c2.2：基于粒子体x，体最佳位置结合预设最大迭代次数，迭代执行以下过程，迭代更新体最佳位置，最终获得的体最佳位置作为优化后的待优化参数，进而优化目标无线网络的三种功能的工作模式：步骤c2.2.1：基于粒子运动更新粒子体x，针对更新后粒子体x中的各个粒子，分别带入反向散射通信和中继通信的数据传输速率之和，获得各粒子分别对应的适应度，将各粒子适应度与其更新前的适应度进行比较，保留适应度大的粒子，更新粒子体x，进而更新体最佳位置；步骤c2.2.2：判断当前迭代次数是否达到最大迭代次数，若达到最大迭代次数，迭代结束，输出体最佳位置；若未达到最大迭代次数，返回步骤c2.2.1，进入下一次迭代。8.根据权利要求7所述一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，其特征在于：所述基于粒子运动更新粒子体x，粒子体x中各粒子通过以下公式进行更新：于：所述基于粒子运动更新粒子体x，粒子体x中各粒子通过以下公式进行更新：式中，表示当前迭代中第i个粒子中第d个待优化参数的速度，表示上一次迭代中第i个粒子中第d个待优化参数的速度，i＝1，2，...，m，d＝1，2，3；w表示惯性因子，为非负数；c1、c2表示学习因子，为非负常数；r1、r2为[0，1]范围内的随机变化数；表示当前迭代中基于粒子运动第i个粒子中第d个待优化参数更新的位置，表示上一次迭代中基于粒子运动第i个粒子中第d个待优化参数更新的位置；表示上一次迭代输出的第i个粒子第d个待优化参数的位置，表示上一次迭代输出的体最佳位置中第d个待优化参数的位置。9.根据权利要求7所述一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，其特征在于：所述三种功能分别对应的待优化参数分别为无障碍物时能量获取的时间α、有障碍物时中继通信的时间μ、有障碍物时反向散射通信的时间γ。10.一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化系统，应用于权利要求1所述一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法，其特征在于：包括网络控制模块、增强型反向散射模块、网络优化模块，网络控制模块用于获取目标无线网络中主发射器与合作接收器之间障碍物信息、目标无线网络中的能量信息、主发射器的任务信息；增强型反向散射模块用于提供能量获取、反向散射通信和中继通信三种功能，并基于网络控制模块提供的信息对能量获取、反向散射通信和中继通信三种功能进行选择；网络优化模块用于基于三种功能的选择策略，对三种功能的工作模式进行优化。

技术总结

本发明公开了一种反向散射辅助无线中继网络的吞吐量优化方法及系统，在传统的无线中继网络中加入环境反向散射功能，为目标无线网络提供了包括能量获取、反向散射通信和中继通信三种功能，并且结合网络中主发射器与合作接收器之间障碍物信息、需要转发传递的信息情况和能量获取情况选择不同的功能运行。本发明将反向散射通信和无线中继通信相结合，集反向散射通信和无线中继通信的优点与一体，提高了传输速率，保障了服务质量。这不仅延伸了无线网络的覆盖范围，也提高了次级网络的吞吐量，降低了能耗，保证了次级系统的通信质量。本发明通过实时采集并自适应的改变网络状态信息，根据状态信息实时选择不同的通信协议，灵活性更高，适应性更强。适应性更强。适应性更强。