CN107835043B - 一种快速评估无线供电通信中信息传输中断概率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速评估无线供电通信中信息传输中断概率的方法，其特征是，包括如下步骤：1)MIMO传输WET，通过MINO技术实现WET：将PB进行预编码处理，再依次经过发射端映射、MIMO传输、接收端映射处理，得到无线节点能量信号；2)MIMO传输WIT，通过MINO技术实现WIT：从无线节点到接入点之间采用MIMO传输信息信号，利用与WET相同的波束成形方法，得到无线节点接收到的信息信号的信干比；3)信息传输中断概率：通过计算得到WIT的信息传输中断概率的期望值。优点：本发明可以准确快速地评估出***的信息传输中断概率、以及揭示网络的***参数对信息传输中断概率的影响。

Description

一种快速评估无线供电通信中信息传输中断概率的方法
技术领域
本发明涉及一种快速评估无线供电通信中信息传输中断概率的方法，属于无线通信中的能量采集技术领域。
背景技术
考虑大规模分布的PB为无线节点进行能量传输，无线节点利用采集到的能量进行信息传输，将信息上传至接入点。PB、无线节点与接入点均有多根天线进行传输。整体通信过程分为两个阶段，第一个阶段是从PB至无线节点的WET过程，第二个阶段是从无线节点至接入点的WIT过程。在第二阶段的WIT过程中，接入点受到的同频干扰也被考虑在了网络模型中，干扰源为接入点周围呈随机分布的其他无线节点。基于以上描述的网络模型，要想获得WIT的信息传输中断概率是一个较为复杂的目标，通常需要利用软件进行蒙特卡洛仿真以得出信息传输中断概率的期望值。如果网络规模较大，此仿真过程需要消耗大量的计算资源与运行时间。
射频信号能量采集技术能够将无线设备接收到的无线信号转换为电能，无线设备无需连接电网或者更换电池即可获得持续稳定的电能供给，并利用所转换的电能进行信号处理和信号发射。能量采集的过程通常称为无线能量传输(WET)，因为能够显著地增加低功耗无线设备的寿命并降低无线通信中的能量限制瓶颈，WET得到了学术界和工业界的广泛关注，并且被视为下一代移动通信***中的一项极具应用前景的技术。
为了实现WET与无线信息传输(WIT)的融合，能量信标(PB)作为一种能量信号的专用发射终端，专门向无线节点进行WET，无线节点利用采集存储的能量完成WIT。由于WET与WIT被拆分为两步传输，且PB与信息信号的收发端互相独立，PB协助式WPC网络的部署更为便捷，WET与WIT的联系也更为紧密。因此，PB可以被大规模部署在WPC网络中以抑制其“双近远”问题，并实现WET的高效传输和WIT的高中断概率传输。
随机几何理论可以有效地刻画网络中大规模节点位置信息的随机分布，当网络节点在一定区域内呈现随机分布时，泊松点过程(PPP)既可以准确得描述节点的随机分布特征，又能够为得到网络性能指标的数学解析解提供条件。
为了提高能量信号与信息信号的传输率，多输入多输出(MIMO)技术可以被运用在无线供电通信网络中。通过在PB、无线节点、接入点等终端设备上装配多根天线，能量信号与信息信号的传输信干噪比将被大幅提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种快速评估无线供电通信中信息传输中断概率的方法，不仅能够快速获得***的性能指标，又能够揭示出网络参数对于信息传输中断概率的影响。
为解决上述技术问题，本发明提供一种快速评估无线供电通信中信息传输中断概率的方法，其特征是，包括如下步骤：
1)MIMO传输WET，通过MINO技术实现WET：将PB进行预编码处理，再依次经过发射端映射、MIMO传输、接收端映射处理，得到无线节点能量信号；
2)MIMO传输WIT，通过MINO技术实现WIT：从无线节点到接入点之间采用MIMO传输信息信号，利用与WET相同的波束成形方法，得到无线节点接收到的信息信号的信干比；
3)信息传输中断概率：通过计算得到WIT的信息传输中断概率的期望值。
进一步的，所述步骤1)，假设第i个PB与无线节点均可以获得即时的信道信息，即信道矩阵Hi，i＝1、2、3……，PB进行预编码处理，将准备传输的能量信号x映射到Vi向量上形成能量发射信号Vix，其中，Vi为传输矩阵Hi奇异值分解后对应最大特征值的右奇异向量；能量发射信号Vix经过MIMO信道后，被送至无线节点，形成能量接收信号HiVix，无线节点利用传输矩阵Hi的左奇异向量Ui，将接收到的能量接收信号HiVix映射到Ui上，得到被处理后的接收信号为UiHiVix；所述无线节点接收到的电磁能为
Figure BDA0001445950500000031
无线节点的能量采集效率为μ,τ为在一个时帧内分配给WET的时间份额，λi表示传输矩阵Hi的最大特征值，其中，Φ表示所有能量信标的集合，，P表示能量信标的发射功率，ri表示从第i个能量信标到无线终端的几何距离，α为路径损耗系数。
进一步的，所述最大特征值
Figure BDA0001445950500000032
进一步的，所述步骤2)，从无线节点到接入点之间采用MIMO传输信息信号，传输的MIMO信道可以表示为矩阵W，利用与WET相同的波束成形方法，无线节点接收到的信息信号的信干比为
Figure BDA0001445950500000033
其中λ0为信道矩阵W所对应的最大特征值，r0为信息信号的传输距离，I为同频干扰的功率。
进一步的，所述同频干扰的功率I通过一个呈Gamma分布的变量所估计，该变量的两个可调参数K与θ表示为：
Figure BDA0001445950500000034
Figure BDA0001445950500000035
其中，rc表示干扰源离接入节点的最近距离，P′表示干扰源的发射功率，α′表示干扰信号的路径损耗参数，ρ′表示干扰源的分布密度。
进一步的，所述步骤3)，WIT的信息传输中断概率的期望值R通过下式得到：
Figure BDA0001445950500000036
其中，
Figure BDA0001445950500000037
Figure BDA0001445950500000038
Figure BDA0001445950500000041
以上方程中，M∈(s)表示针对接收到的能量信号的幂产生方程，ρ表示PB的分布密度，Cb,c,k与Cn,l,m,β为由参数计算求得的常数，设PB端的发射天线数目为Np,无线节点的发射天线数目为Ns，接入点的发射天线数目为Nd,则在常数T的表达式中，u依次从1增加到min(Np,Ns),v依次max(Np,Ns)-min(Np,Ns)增加到(max(Np,Ns)+min(Np,Ns))u-2u2,k依次从1增加到v+1,du,v表示对应每个u,v对的系数,
Figure BDA0001445950500000042
表示从v+1个数中找出不同个k个数的组合的个数，Beta表示Beta方程，而在Cn,l,m,β中，n依次从1增加到min(Nd,Ns),l依次从max(Nd,Ns)-min(Nd,Ns)增加到(max(Nd,Ns)+min(Nd,Ns))l-2l2,m依次从0增加到l,β从0增加到40，z、x表示被积分的变量。
本发明所达到的有益效果：
与基于大规模网络模型的仿真相比，利用以上提出的公式进行信息传输中断概率的测试，可以获得与蒙特卡洛仿真结果非常接近的数值解，且计算时间被大幅缩减，缩减的程度随着网络规模的变大而增加。
附图说明
图1是信息传输中断概率与PB分布密度的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种快速评估无线供电通信中信息传输中断概率的方法，其特征是，包括如下步骤：
1)MIMO传输WET，通过MINO技术实现WET：将PB进行预编码处理，再依次经过发射端映射、MIMO传输、接收端映射处理，得到无线节点能量信号；
2)MIMO传输WIT，通过MINO技术实现WIT：从无线节点到接入点之间采用MIMO传输信息信号，利用与WET相同的波束成形方法，得到无线节点接收到的信息信号的信干比；
3)信息传输中断概率：通过计算得到WIT的信息传输中断概率的期望值。
所述步骤1)，假设第i个PB与无线节点均可以获得即时的信道信息，即信道矩阵Hi，i＝1、2、3……，PB进行预编码处理，将准备传输的能量信号x映射到Vi向量上形成能量发射信号Vix，其中，Vi为传输矩阵Hi奇异值分解后对应最大特征值的右奇异向量；能量发射信号Vix经过MIMO信道后，被送至无线节点，形成能量接收信号HiVix，无线节点利用传输矩阵Hi的左奇异向量Ui，将接收到的能量接收信号HiVix映射到Ui上，得到被处理后的接收信号为UiHiVix；所述无线节点接收到的电磁能为
Figure BDA0001445950500000051
无线节点的能量采集效率为μ,τ为在一个时帧内分配给WET的时间份额，λi表示传输矩阵Hi的最大特征值，其中，Φ表示所有能量信标的集合，，P表示能量信标的发射功率，ri表示从第i个能量信标到无线终端的几何距离，α为路径损耗系数。
所述最大特征值
Figure BDA0001445950500000052
所述步骤2)，从无线节点到接入点之间采用MIMO传输信息信号，传输的MIMO信道可以表示为矩阵W，利用与WET相同的波束成形方法，无线节点接收到的信息信号的信干比为
Figure BDA0001445950500000053
其中λ0为信道矩阵W所对应的最大特征值，r0为信息信号的传输距离，I为同频干扰的功率。
所述同频干扰的功率I通过一个呈Gamma分布的变量所估计，该变量的两个可调参数K与θ表示为：
Figure BDA0001445950500000054
Figure BDA0001445950500000055
其中，rc表示干扰源离接入节点的最近距离，P′表示干扰源的发射功率，α′表示干扰信号的路径损耗参数，ρ′表示干扰源的分布密度。
所述步骤3)，WIT的信息传输中断概率的期望值R通过下式得到：
Figure BDA0001445950500000056
其中，
Figure BDA0001445950500000061
Figure BDA0001445950500000062
Figure BDA0001445950500000063
以上方程中，M∈(s)表示的是关于接收到的能量信号的幂产生方程，ρ表示PB的分布密度，Cb,c,k与Cn,l,m,β为由参数计算求得的常数，设PB端的发射天线数目为Np,无线节点的发射天线数目为Ns，接入点的发射天线数目为Nd,则在常数T的表达式中，u依次从1增加到min(Np,Ns),v依次从max(Np,Ns)-min(Np,Ns)增加到(max(Np,Ns)+min(Np,Ns))u-2u2,k依次从1增加到v+1,du,v表示对应每个u,v对的系数(此系数已经在文献[G.Amarasuriya,etc,IEEE Trans.Commun.,Vol.60,No.7,pp.1823–1837,July 2012]中给出),
Figure BDA0001445950500000064
表示从v+1个数中找出不同个k个数的组合的个数，Beta表示Beta方程，而在Cn,l,m,β中，n依次从1增加到min(Nd,Ns),l依次从max(Nd,Ns)-min(Nd,Ns)增加到(max(Nd,Ns)+min(Nd,Ns))l-2l2,m依次从0增加到l,β从0增加到40，z、x表示被积分的变量。
实施例：在仿真测试环境中，模拟一个无线传感器网络，网络中随机分布地部署若干个符合PPP随机几何模型的PB，并利用多天线通过波束成形向无线传感器传输能量信号，一个无线传感器先采集从周围的PB所发射的能量信号，再利用存储的电能向无线接入点上传信息。假设整流电路的能量转换效率为μ＝60％，路径损耗系数α＝3，rc＝800m，P′＝0.5W。
通过采用本发明中所述的方法，其仿真效果如下：
假设PB端配置有2根天线，而无线节点分别配置2根天线，逐次增加PB的分布密度，由10-5m2依次增加至10-3m2，并且作为对照组改变***中PB的发射功率，图1中可以看出基于此方法给出的信息传输中断概率的解析解与经过大量Monte Carlo仿真得到的数值解的结果高度相同，图中，基于此方法给出的结果用点便是，基于Monte Carlo仿真的结果用实线表示。并且，伴随着PB分布密度的增加，应用本发明方法进行能量传输时，***的信息传输中断概率也显著提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种快速评估无线供电通信中信息传输中断概率的方法，其特征是，包括如下步骤：
1)MIMO传输WET，通过MIMO技术实现WET：将能量信标PB进行预编码处理，再依次经过发射端映射、MIMO传输、接收端映射处理，得到无线节点能量信号；
假设第i个PB与无线节点均可以获得即时的信道信息，即信道矩阵Hi，i＝1、2、3……，PB进行预编码处理，将准备传输的能量信号x映射到Vi向量上形成能量发射信号Vix，其中，Vi为传输矩阵Hi奇异值分解后对应最大特征值的右奇异向量；能量发射信号Vix经过MIMO信道后，被送至无线节点，形成能量接收信号HiVix，无线节点利用传输矩阵Hi的左奇异向量Ui，将接收到的能量接收信号HiVix映射到Ui上，得到被处理后的接收信号为UiHiVix；所述无线节点接收到的电磁能为
Figure FDA0002612110750000011
无线节点的能量采集效率为μ，τ为在一个时帧内分配给WET的时间份额，λi表示传输矩阵Hi的最大特征值，其中，Φ表示所有能量信标的集合，P表示能量信标的发射功率，ri表示从第i个能量信标到无线终端的几何距离，α为路径损耗系数；
2)MIMO传输WIT，通过MIMO技术实现WIT：从无线节点到接入点之间采用MIMO传输信息信号，利用与WET相同的波束成形方法，得到无线节点接收到的信息信号的信干比；
从无线节点到接入点之间采用MIMO传输信息信号，传输的MIMO信道可以表示为矩阵W，利用与WET相同的波束成形方法，无线节点接收到的信息信号的信干比为
Figure FDA0002612110750000012
其中λ0为信道矩阵W所对应的最大特征值，r0为信息信号的传输距离，I为同频干扰的功率；
3)信息传输中断概率：通过计算得到WIT的信息传输中断概率的期望值；
所述同频干扰的功率I通过一个呈Gamma分布的变量所估计，该变量的两个可调参数K与θ表示为：
Figure FDA0002612110750000021
Figure FDA0002612110750000022
其中，rc表示干扰源离接入节点的最近距离，P′表示干扰源的发射功率，α′表示干扰信号的路径损耗参数，ρ′表示干扰源的分布密度。
2.根据权利要求1所述的一种快速评估无线供电通信中信息传输中断概率的方法，其特征是，所述最大特征值
Figure FDA0002612110750000023
3.根据权利要求1所述的一种快速评估无线供电通信中信息传输中断概率的方法，其特征是，所述步骤3)，WIT的信息传输中断概率的期望值R通过下式得到：
Figure FDA0002612110750000024
其中，
Figure FDA0002612110750000025
Figure FDA0002612110750000026
Figure FDA0002612110750000027
以上方程中，M∈(s)表示针对接收到的能量信号的幂产生方程，ρ表示PB的分布密度，Cb，c，k与Cn，l，m，β为由参数计算求得的常数，设PB端的发射天线数目为Np，无线节点的发射天线数目为Ns，接入点的发射天线数目为Nd，则在常数T的表达式中，u依次从1增加到min(Np，Ns)，v依次从max(Np，Ns)-min(Np，Ns)增加到(max(Np，Ns)+min(Np，Ns))u-2u2，k依次从1增加到v+1，du，v表示对应每个u，v对的系数，
Figure FDA0002612110750000028
表示从v+1个数中找出不同个k个数的组合的个数，Beta表示Beta方程，而在Cn，l，m，β中，n依次从1增加到min(Nd，Ns)，l依次从max(Nd，Ns)-min(Nd，Ns)增加到(max(Nd，Ns)+min(Nd，Ns))l-2l2，m依次从0增加到l，β从0增加到40。
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