CN112087792B - 后向散射辅助的无线供能网络的节点到中继节点通信方法 - Google Patents

Abstract

一种后向散射辅助的无线供能网络的节点到中继节点通信方法，对于无线供能通信网络中节点到中继节点的信息传输，本发明利用了后向散射通信技术，给出了由节点后向散射/能量捕获阶段和节点主动通信阶段构成的方案，并确定节点的能量捕获时长、后向散射时长和主动通信时长的合理取值。本发明的方法利用后向散射通信技术来有效地提高无线供能通信网络的节点到中继节点通信吞吐量。

Description

后向散射辅助的无线供能网络的节点到中继节点通信方法

技术领域

本发明涉及一种后向散射辅助的无线供能网络的节点到中继节点通信方法，该方法适用于后向散射辅助的无线供能网络。

背景技术

无线供能技术可以为无线节点提供稳定、可控的能量，节点通过捕获能量源发送的射频信号能量来工作，这是一种非常有潜力的物联网节点能量捕获技术。

韄向散射通信是一种利用环境中的电磁波来通信的技术，而且发送节点几乎不消耗能量。近年来，一些研究工作将后向散射通信应用于无线供能网络中，网络节点可工作于后向散射通信或主动通信这两种通信方式。在无线供能网络中使用后向散射通信技术的好处是在能量源进行无线供能的时候，可以有节点进行后向散射通信，从而提高吞吐量。

以往的大多数无线供能网络研究工作采用了先对节点进行无线供能然后节点进行主动通信该模式，因此无论是半双工还是全双工模式，都需要***分配一段时间来专门用于无线供能，由于供能和通信通常使用同一个频段，这段时长内不能进行节点的主动通信，从而减少了数据传输的时长。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种后向散射辅助的无线供能网络的节点到中继节点通信方法，将后向散射通信应用于无线供能网络中节点到中继节点的通信，从而提高网络总吞吐量。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种后向散射辅助的无线供能网络的节点到中继节点通信方法所述方法包括以下步骤：

1)对于无线供能网络中依附于同一个中继节点、可捕获射频能量的两个节点U₁和U₂，在网络***安排的时长T内，首先U₁进行α₁时长的后向散射通信来发数据给中继节点，这段α₁时长的时间里能量源以功率P_A发送射频信号，这段α₁时长的时间里U₂捕获射频能量；

2)然后U₂进行α₂时长的后向散射通信来发数据给中继节点，这段α₂时长的时间里能量源以功率P_A发送射频信号，这段α₂时长的时间里U₁捕获射频能量；

3)最后U₁和U₂以频分复用的方式同时进行T-α₁-α₂时长的主动通信来发数据给中继节点，这段时间里能量源不发送射频信号。

进一步，所述的时长α₁和α₂的取值确定过程包含如下步骤：

步骤一：用表示α₁的可行区间的下边界值，将其初始化为0；用/>表示α₁的可行区间的上边界值，将其初始化为/> 为节点U₂捕获射频能量的最大时长，通过得到，其中C₂是U₂的储能容量，η₂是U₂的能量捕获效率，h₂是能量源到U₂的信道增益；

步骤二：在α₁的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α₁'和α₁”，其值如下所示：

步骤三：用表示α₂的可行区间的下边界值，将其初始化为0，用/>表示α₂的可行区间的上边界值，将其初始化为/>其中，/>为节点U₁捕获射频能量的最大时长，通过/>得到，其中C₁是U₁的储能容量，η₁是U₁的能量捕获效率，h₁是能量源到U₁的信道增益；

步骤四：在α₂的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α'₂和α”₂，其值如下所示：

步骤五：计算α₁＝α'₁,α₂＝α'₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α'₁,α₂＝α'₂)，计算α₁＝α'₁,α₂＝α”₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α'₁,α₂＝α”₂)，其中

其中，是节点的后向散射速率，γ_i根据/>得到，其中η_i是节点U_i的能量收集效率，g_i是U_i到中继节点的信道增益,σ²是高斯白噪声功率,π(i)＝{1,2}\{i}，即π(1)＝2，π(2)＝1；

步骤六：若R_sum(α₁＝α'₁,α₂＝α'₂)＞R_sum(α₁＝α'₁,α₂＝α”₂)，否则/>

步骤七：若则转到步骤四，其中tol是预设置的收敛精度值；否则，记记/>跳到步骤八；

步骤八：

步骤九：在α₂的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α'₂和α”₂，其值如下所示：

步骤十：计算α₁＝α”₁,α₂＝α'₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α”₁,α₂＝α'₂)，计算α₁＝α”₁,α₂＝α”₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α”₁,α₂＝α”₂)；

步骤十一：若R_sum(α₁＝α”₁,α₂＝α'₂)＞R_sum(α₁＝α”₁,α₂＝α”₂)，否则

步骤十二：若则转到步骤九；否则，记跳到步骤十三；

步骤十三：若R₁≥R₂， 的值保持不变；否则，

步骤十四：若转步骤二；否则，跳到步骤十五；

步骤十五：返回和/>结束。

本发明的有益效果表现在：本发明考虑了具有储能约束的节点，避免了无谓的多余能量供应，达到节能效果。并将问题分解为多个仅需优化后向散射时长的子问题，设计了高效的两层黄金分割搜索算法来求解子问题，得到较优的节点能量采集、后向散射和主动通信的时间分配，从而得到网络高吞吐量。

附图说明

图1是后向散射辅助无线供能网络模型示意图。

图2是后向散射/能量传输和主动通信示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行具体分析。

参照图1和图2，一种后向散射辅助无线供能网络的节点间高吞吐量通信方法，包括以下步骤：

1)对于无线供能网络中依附于同一个中继节点、可捕获射频能量的两个节点U₁和U₂，在网络***安排的可行时长T内，首先U₁进行α₁时长的后向散射通信来发数据给中继节点，这段α₁时长的时间里能量源以功率P_A发送射频信号，这段α₁时长的时间里U₂捕获射频能量；

2)然后U₂进行α₂时长的后向散射通信来发数据给中继节点，这段α₂时长的时间里能量源以功率P_A发送射频信号，这段α₂时长的时间里U₁捕获射频能量；

3)最后U₁和U₂以频分复用的方式同时进行T-α₁-α₂时长的主动通信来发数据给中继节点，这段时间里能量源不发送射频信号。

进一步，所述的时长α₁和α₂的取值确定过程包含如下步骤：

步骤一：用表示α₁的可行区间的下边界值，将其初始化为0；用/>表示α₁的可行区间的上边界值，将其初始化为/> 为节点U₂捕获射频能量的最大时长，通过得到，其中C₂是U₂的储能容量，η₂是U₂的能量捕获效率，h₂是能量源到U₂的信道增益；

步骤二：在α₁的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α'₁和α₁”，其值如下所示：

步骤三：用表示α₂的可行区间的下边界值，将其初始化为0，用/>表示α₂的可行区间的上边界值，将其初始化为/>其中，/>为节点U₁捕获射频能量的最大时长，通过/>得到，其中C₁是U₁的储能容量，η₁是U₁的能量捕获效率，h₁是能量源到U₁的信道增益；

步骤四：在α₂的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α'₂和α”₂，其值如下所示：

步骤五：计算α₁＝α'₁,α₂＝α'₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α'₁,α₂＝α'₂)，计算α₁＝α'₁,α₂＝α”₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α'₁,α₂＝α”₂)，其中

其中，是节点的后向散射速率，γ_i根据/>得到，其中η_i是节点U_i的能量收集效率，g_i是U_i到中继节点的信道增益,σ²是高斯白噪声功率,π(i)＝{1,2}\{i}，即π(1)＝2，π(2)＝1；

步骤六：若R_sum(α₁＝α'₁,α₂＝α'₂)＞R_sum(α₁＝α'₁,α₂＝α”₂)，否则/>

步骤七：若则转到步骤四，其中tol是预设置的收敛精度值；否则，记记/>跳到步骤八；

步骤八：

步骤九：在α₂的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α'₂和α”₂，其值如下所示：

步骤十：计算α₁＝α₁”,α₂＝α'₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α₁”,α₂＝α'₂)，计算α₁＝α”₁,α₂＝α'₂'时的吞吐量R_sum(α₁＝α”₁,α₂＝α”₂)；

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步骤十二：若则转到步骤九；否则，记跳到步骤十三；

步骤十三：若R₁≥R₂， 的值保持不变；否则，

步骤十四：若转步骤二；否则，跳到步骤十五；

步骤十五：返回和/>结束。

针对后向散射辅助的无线供能网络来说明本发明的具体实施方案。网络中有一个能量源，多个单天线节点和网关，离网关远的节点通过中继节点来把信息发到网关。考虑到负载均衡性，每个中继节点最多为两个边缘节点提供信息中继服务，两个边缘节点用U_i表示，i＝1,2。节点U_i的储能容量是C_i。节点均配有后向散射模块和主动通信模块，且能在这两种通信模式之间进行自适应切换。后向散射通信不需要捕获能量就能将信息传输给中继节点，主动通信需要利用前期捕获的能量发送信息给中继节点。U_i的后向散射速率表示为

在***分配给U₁和U₂总可用时长T的情况下，整个时间块T被分为两个阶段，即后向散射/能量采集阶段和主动通信阶段。在第一阶段，能量源以发送功率P_A来广播射频信号，由U₁和U₂分别进行α₁和α₂时长的后向散射通信，发送信息给中继节点，在U₁进行后向散射通信期间，U₂进行射频能量捕获，在U₂进行后向散射通信期间，U₁进行射频能量捕获。在第二阶段，能量源不发送射频能量，U₁和U₂利用第一阶段采集的能量在各自工作频段将信息以主动通信方式传输给中继节点。由于每个节点具有储能容量约束，以至于每个节点的能量采集时长受节点能量捕获时长阈值的约束。

使用高效的两层黄金分割搜索算法来确定α₁和α₂的取值。里层应用黄金分割搜索算法得到给定α₁取值下使网络总吞吐量达到最大的α₂值，外层应用黄金分割搜索算法得到使网络总吞吐量达到最大的α₁值。

Claims (1)

1.一种后向散射辅助的无线供能网络的节点到中继节点通信方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)对于无线供能网络中依附于同一个中继节点、可捕获射频能量的两个节点U₁和U₂，在网络***安排的时长T内，首先U₁进行α₁时长的后向散射通信来发数据给中继节点，这段α₁时长的时间里能量源以功率P_A发送射频信号，这段α₁时长的时间里U₂捕获射频能量；

2)然后U₂进行α₂时长的后向散射通信来发数据给中继节点，这段α₂时长的时间里能量源以功率P_A发送射频信号，这段α₂时长的时间里U₁捕获射频能量；

3)最后U₁和U₂以频分复用的方式同时进行T-α₁-α₂时长的主动通信来发数据给中继节点，这段时间里能量源不发送射频信号；

所述的时长α₁和α₂的取值确定过程包含如下步骤：

步骤一：用表示α₁的可行区间的下边界值，将其初始化为0；用/>表示α₁的可行区间的上边界值，将其初始化为/> 为节点U₂捕获射频能量的最大时长，通过/>得到，其中C₂是U₂的储能容量，η₂是U₂的能量捕获效率，h₂是能量源到U₂的信道增益；

步骤二：在α₁的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α′₁和α″₁，其值如下所示：

步骤三：用表示α₂的可行区间的下边界值，将其初始化为0，用/>表示α₂的可行区间的上边界值，将其初始化为/>其中，/>为节点U₁捕获射频能量的最大时长，通过/>得到，其中C₁是U₁的储能容量，η₁是U₁的能量捕获效率，h₁是能量源到U₁的信道增益；

步骤四：在α₂的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α'₂和α″₂，其值如下所示：

步骤五：计算α₁＝α′₁,α₂＝α′₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α′₁,α₂＝α′₂)，计算α₁＝α′₁,α₂＝α″₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α′₁,α₂＝α″₂)，其中

其中，是节点的后向散射速率，γ_i根据/>得到，其中η_i是节点U_i的能量收集效率，g_i是U_i到中继节点的信道增益,σ²是高斯白噪声功率,π(i)＝{1,2}\{i}，即π(1)＝2，π(2)＝1；

步骤六：若 否则/>

步骤七：若则转到步骤四，其中tol是预设置的收敛精度值；否则，记记/>跳到步骤八；

步骤八：

步骤九：在α₂的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α'₂和α″₂，其值如下所示：

步骤十：计算α₁＝α″₁,α₂＝α'₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α″₁,α₂＝α'₂)，计算α₁＝α″₁,α₂＝α″₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α″₁,α₂＝α″₂)；

步骤十一：若R_sum(α₁＝α″₁,α₂＝α'₂)＞R_sum(α₁＝α″₁,α₂＝α″₂)，否则/>

步骤十二：若则转到步骤九；否则，记

步骤十三：若R₁≥R₂， 的值保持不变；否则，

步骤十四：若转步骤二；否则，跳到步骤十五；

步骤十五：返回和/>结束。