CN113541748A - 无线供电网络模型及基于相位共轭的时间分配方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线传感网领域，具体涉及一种无线供电网络模型及基于相位共轭的时间分配方法和装置；所述无线供电网络模型包括MIMO天线阵列、能量发射机、信息接收机和多个终端设备；能量发射机与信息接收机分开放置，能量发射机连接MIMO天线阵列；每个终端设备连接有单天线；并使用无线方式进行传输；终端设备向能量发射机发射探测信号，能量发射机对探测信号共轭放大，将共轭放大后的能量信号返回至终端设备中，终端设备利用获取的能量向信息接收机发送信息信号。本发明将能量发射机与信息接收机分开设计，解决了无线供电网络中的“双远近”问题，增大用户信息传输的覆盖范围；本发明加入了相位共轭技术，能增大能量传输阶段的传输效率。

Description

无线供电网络模型及基于相位共轭的时间分配方法和装置

技术领域

本发明属于无线传感网领域，具体涉及一种无线供电网络模型及基于相位共轭的时间分配方法和装置。

背景技术

传统的无线传感网络由电池供电，例如可探测包括地震，电磁，温度，湿度，噪声等传感器。然而使用电池供电会带来一系列的隐患，比如只可供有限的可用时间，电池更换不方便等等。而且更换不及时还会导致通信中断，影响服务质量。

基于此，以射频传输的无线供电网络应运而生，传统的无线供电网络结合无线能量收集，无线信息传输为一体的网络，采用下行传输能量，上行传输信息的协议，如图1所示，图1中传统无线供电网络由一个有源(有稳定电流接入)的混合节点H-AP以及若干无源用户(设备)构成；***运行时，H-AP向无源用户(设备)下行传输能量，用户(设备)收到能量后将其储存在自身的可充电电池中，然后利用这些能量向H-AP上传信息。

无线供电网络可以很好地解决无线通信过程中无线设备电池更换不方便，能量短缺等问题，实现无线设备的“自我可持续”。但是由于射频传输信号强度随距离的增大快速衰减，终端设备只能获得少的能量，另外传统的无线供电网络存在“双远近”问题，离混合节点H-AP远的设备获得少的能量，但要以更高的功率传输信息，相反离H-AP近的设备获得低的能量只需较低的功率传输信息，这些问题均导致***容量受限，因此如何提高***容量，最大化***吞吐量是无线供电网络面临的挑战。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明提供了一种无线供电网络模型及基于相位共轭的时间分配方法和装置，通过改进传统无线供电网络模型，将能量发射机和信息接收机分开，用来解决“双远近”效应。在能量传输阶段加入相位共轭技术，采用MIMO技术，在信息传输阶段采用空分多址技术，考虑多用户的场景下，通过联合优化探测时间，能量传输时间，信息传输时间，以及功率控制使***吞吐量最大化，并且导出获得最优解的有效迭代算法。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种无线供电网络模型，包括MIMO天线阵列、能量发射机、信息接收机以及多个终端设备；能量发射机与信息接收机分开放置，所述能量发射机连接有多天线的MIMO天线阵列；每个所述终端设备连接有单天线；并使用无线方式进行传输即包括无线能量传输和无线信息传输；所述终端设备向能量发射机发射探测信号，所述能量发射机对所述探测信号共轭放大，并将共轭放大后的能量信号返回至所述终端设备中，所述终端设备利用获取的能量向信息接收机发送信息信号。

优选的，所述终端设备分布在能量发射机周围，且不超过第一阈值距离范围内，所述信息接收机距离信息接收机为第二阈值距离，其中所述第二阈值距离大于所述第一阈值距离；所述第一阈值距离可以选10-30米，所述第二阈值距离可以选80-120米。

在本发明的第二方面，本发明提供了一种无线供电网络中基于相位共轭的时间分配方法，所述方法包括：

终端设备向能量发射机发射探测信号，并确定出对应的探测信号时间；

所述能量发射机将所述探测信号共轭放大，将共轭放大后的能量信号以一定发射功率向终端设备发射能量，并确定出对应的能量传输时间；

所述终端设备利用获取的能量向信息接收机发送信息信号，并确定出对应的信息传输时间；

基于探测信号时间、能量传输时间以及信息传输时间，构建出最大化吞吐量模型；

利用黄金分割法对所述最大化吞吐量模型求解，得到最优的探测信号时间、能量传输时间以及信息传输时间分配结果；

将模型计算出的最优的探测信号时间、信息传输时间分配给终端用户，将能量传输时间分配给能量发射机。

在本发明的第三方面，本发明还提供了一种无线供电网络中基于相位共轭的时间分配装置，包括：

探测信号时间记录模块，用于确定出终端设备向能量发射机发射探测信号所对应的探测信号时间；

能量传输时间记录模块，用于确定出能量发射机将所述探测信号共轭放大，将共轭放大后的能量信号以一定发射功率向终端设备发射能量所对应的能量传输时间；

信息传输时间记录模块，用于确定出所述终端设备利用获取的能量向信息接收机发送信息信号所对应的信息传输时间；

吞吐量模型构建模块，基于探测信号时间、能量传输时间以及信息传输时间，构建出最大化吞吐量模型；

黄金分割计算模块，利用黄金分割法对所述最大化吞吐量模型求解，得到最优的探测信号时间、能量传输时间以及信息传输时间分配结果；

时间分配模块，将模型计算出的最优的探测信号时间、信息传输时间分配给终端用户，能量传输时间分配给能量发射机。

本发明的有益效果：

本发明对传统的无线供电网络进行了改进，将能量发射机与信息接收机分开的模型，解决了无线供电网络中的“双远近”问题，并且这种分开设置的方式能够增大用户信息传输的覆盖范围；另外，本发明在低复杂度的条件下，通过加入相位共轭技术，增大了能量传输阶段的传输效率。进而增大用户吞吐量和***总的吞吐量，满足了无线供电网络的吞吐量需求。

附图说明

图1是传统无线供电网络结构图；

图2是本发明实施例中的无线供电网络模型架构图；

图3是本发明实施例中的一种无线供电网络中基于相位共轭的时间分配方法流程图；

图4是本发明实施例中能量传输时间与***总吞吐量关系图；

图5是本发明实施例中的一种无线供电网络中基于相位共轭的时间分配装置结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明发现现有的无线供电网络中***容量受限的问题，因此想通过提高功率的传输效率来增强***容量，基于此，本发明认为相位共轭技术是一种逆向定向波束形成技术，在无线能量传输中，在带有多天线的能量发射机向终端设备传输能量前，终端设备需要先向能量发射机发射一个探测信号。这个探测信号包含了幅度相位信息，能量发射机的天线接收到这个探测信号时，对其进行共轭放大，再次发送给终端设备。相位共轭技术的优点是：1.可以实现功率的定向传输，增大传输效率。2.***复杂度低。3.在能量聚焦区域外，电磁能量密度小，对环境产生的电磁干扰或危害较小。

图2是本发明实施例中的无线供电网络模型架构图，如图2所示，本发明实施例以一个大规模MIMO天线阵列下的多用户无线供电网络为例，该无线供电网络模型包括MIMO天线阵列、能量发射机、信息接收机以及多个终端设备；能量发射机与信息接收机分开放置，所述能量发射机连接有多天线的MIMO天线阵列；每个所述终端设备连接有单天线；并使用无线方式进行传输即包括无线能量传输和无线信息传输；所述终端设备向能量发射机发射探测信号，所述能量发射机对所述探测信号共轭放大，并将共轭放大后的能量信号返回至所述终端设备中，所述终端设备利用获取的能量向信息接收机发送信息信号。

更进一步的，所述终端设备分布在能量发射机周围，且不超过第一阈值距离范围内，所述信息接收机距离信息接收机为第二阈值距离，其中所述第二阈值距离大于所述第一阈值距离。

举个例子，所述终端设备可以分布在能量发射机周围20米范围内，而信息接收机可以分布在能量发射机周围100米左右的范围内。

具体的，能量发射机ET带有M_t个发射天线，有K个终端设备ER，每个终端设备带有一个天线且M_t>>K，信息接收机IR带有一个接收天线。从ET到ER的传输矩阵用H表示：

其中，h_ij＝(i＝1,2,...,K；j＝1,2,...M_t)表示从第j个能量发射机天线到第i个接收机天线的信道传输系数。假设所有的发射信号均为窄带信号

β_i和S_ij分别表示信道的大范围和小范围衰落系数。大范围的衰落系数与设备到能量发射机ET的距离有关，每个设备至所有ET天线的大范围衰落系数是相同的，可以表示为β_i＝c₀(r_i/r₀)^-α，c₀＝-30dB为参考距离r₀＝1m处路径损耗的常数衰减因子，α为路径损耗指数，r_i为第i个接收机天线到能量发射机的距离。小范围的衰落系数S_ij从不同的能量发射机天线到不同的接收机天线都是相互独立的，为零均值单位方差的复高斯随机变量，即S_ij～CN(0，1)。从ET到ER_k的信道表示为

a*,a^T分别代表复值向量a的共轭和转置。我们假定能量发射机到终端设备的信道是互易的，因此从ER_k到ET的信道可以表示为

a^H表示复制向量a的共轭转置。同时从ER_k到信息接收机IR的信道系数表示为g_k。

本发明能够利用信道的互易性，来完成一个低复杂度的相位共轭的无线供电网络传输方案，每一个传输块由三个时隙组成，分别为探测信号时间，能量传输时间，信息传输时间。并且每个在终端用户ER在***开始运行前均带有一定的能量，保证能够向能量发射机发射探测信号。在之后的时间块中完全利用能量发射机ET发射的能量发送探测信号以及向信息接收机IR发送信息。

图3是本发明实施例中的一种无线供电网络中基于相位共轭的时间分配方法流程图，如图3所示，所述方法包括：

201、终端设备向能量发射机发射探测信号，并确定出对应的探测信号时间；

对于探测信号时间，以图2中的无线供电网络模型为例，***运行时K个终端用户先向能量发射机发射探测信号，可以表示为：

其中，P_k为终端用户发送探测信号的功率，0≤P_k≤P_max，P_max为探测信号的最大发射功率。f_c为载频。探测信号持续时间为τ₁，因此所要求的***带宽为w＝1/τ₁。ET接收的等效基带信号表示为：

其中，

表示均值为零，功率谱密度为N₀的加性高斯白噪声(AWGN)。同时

表示能量发射机ET接收到的由K个终端设备发送的有效的加权线性组合信号。然后能量发射机ET对接收到的信号y(t)进行匹配滤波操作，得到

其中，

0和I分别代表大小为M_t×1的全零向量，和大小为M_t×M_t的单位矩阵。此时终端用户ER_k消耗的能量为：

202、所述能量发射机将所述探测信号共轭放大，将共轭放大后的能量信号以一定发射功率向终端设备发射能量，并确定出对应的能量传输时间；

对于能量传输时间，仍然以图2中的无线供电网络模型为例，能量发射机ET向K个终端用户ER发送能量，具体来说，能量发射机的每一个天线使用同探测信号相同的载波f_c发送一个正弦波信号，幅度相位取共轭后的

然后能量发射机使用功率P_t发射能量。此时，能量发射机等效基带发射信号可以表示为：

然后每个终端用户接收到的能量信号可以表示为：

其中，k＝1,...,K。相应的，每个终端用户ER_K接收到的能量为E_k，可以表示为：

在这一阶段能量传输时间为τ₂，能量传输效率为ζ。为了简单起见，我们忽略实际过程中电路损耗的功率。

203、所述终端设备利用获取的能量向信息接收机发送信息信号，并确定出对应的信息传输时间；

对于信息传输时间，仍然以图2中的无线供电网络模型为例，终端设备ER采用空分多址的方式向信息接收机IR同时发送信息，传输时间为τ₃。假定每个终端设备在信息传输阶段都消耗尽其获取的能量，只留下下一个时间块给能量发射机发射探测信号的能量

此时每个终端设备ER_k的发射功率为

可以表示为：

此时每个终端设备k即ER_k可以实现的吞吐量可以表示为：

204、基于探测信号时间、能量传输时间以及信息传输时间，构建出最大化吞吐量模型；

结合

E_k以及

进一步得出：

因此总的吞吐量为：

为了使***吞吐量R最大化，本发明需要对探测时间τ₁，能量传输时间τ₂，信息传输时间τ₃进行分配，不失一般性，本发明令单个传输块时间和为1。规划出以下问题：

S.t τ₁+τ₂+τ₃＝1

其中，R表示***吞吐量；K表示终端设备数量；W表示带宽；τ₃表示信息传输时间；P_t表示能量发射机的发射功率；

表示共轭后的信道系数；P_l表示终端设备l发送探测信号的功率；h_k表示能量发射机到终端设备k的信道；h_l表示能量发射机到终端设备l的信道；

表示共轭后的噪声；τ₂表示能量传输时间；ζ表示能量传输效率；P_k表示终端设备k发送探测信号的功率；τ₁表示探测信号时间；g_k表示从终端设备k到信息接收机的信道系数；N₀表示功率谱密度，上标H表示共轭转置操作；

表示终端设备k在耗尽能量的情况下发送探测信号的功率。

205、利用黄金分割法对所述最大化吞吐量模型求解，得到最优的探测信号时间、能量传输时间以及信息传输时间分配结果；

为了方便求解，本发明使τ₂+τ₃＝m，利用凸优化理论可以看出，***吞吐量R是关于τ₂的严格的凹函数，在定义域内存在最大值。设置如表1所示的仿真参数证明此结论。

表1仿真参数

由图4可以看出随着能量传输时间τ₂的变化，***总的吞吐量存在最大值。所有本发明采用黄金分割法来求解最优解：

1)设置出迭代区间[0,1]和误差精度，并令第一参数a＝0，第二参数b＝1；

2)如果第二参数与第一参数之间的差b-a>ε，则执行如下步骤：

3)令a1＝a+0.382(b-a)，a2＝a+0.618(b-a)；将a1和a2分别代入所述最大化吞吐模型中，得到对应的第一***吞吐量R1和第二***吞吐量R2；

4)判断所述第一***吞吐量是否小于所述第二***吞吐量，若小于，则令b＝a2，若不小于，则令a＝a1，返回步骤2)，直至步骤2)不成立进入步骤5)；

5)计算出***总吞吐量表示为

206、将模型计算出的最优的探测信号时间、信息传输时间分配给终端用户，将能量传输时间分配给能量发射机。

图5是本发明实施例中的一种无线供电网络中基于相位共轭的时间分配装置结构图，如图5所示，所述装置包括：

301、探测信号时间记录模块，用于确定出终端设备向能量发射机发射探测信号所对应的探测信号时间；

302、能量传输时间记录模块，用于确定出能量发射机将所述探测信号共轭放大，将共轭放大后的能量信号以一定发射功率向终端设备发射能量所对应的能量传输时间；

303、信息传输时间记录模块，用于确定出所述终端设备利用获取的能量向信息接收机发送信息信号所对应的信息传输时间；

304、吞吐量模型构建模块，基于探测信号时间、能量传输时间以及信息传输时间，构建出最大化吞吐量模型；

305、黄金分割计算模块，利用黄金分割法对所述最大化吞吐量模型求解，得到最优的探测信号时间、能量传输时间以及信息传输时间分配结果；

306、时间分配模块，将模型计算出的最优的探测信号时间、信息传输时间分配给终端用户、能量传输时间分配给能量发射机。

可以理解的是，本发明中的无线供电网络模型、基于相位共轭的时间分配方法以及基于相位共轭的时间分配装置属于同一构思，其对应的技术特征之间可以相互引用，本发明不再一一赘述。

本发明对传统的无线供电网络进行了改进，将能量发射机与信息接收机分开设置，解决了无线供电网络中的“双远近”问题，并且这种分开设置的方式能够增大用户信息传输的覆盖范围；另外，本发明在低复杂度的条件下，通过加入相位共轭技术，增大了能量传输阶段的传输效率。进而增大用户吞吐量和***总的吞吐量，满足了无线供电网络的吞吐量需求。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种无线供电网络模型，包括MIMO天线阵列、能量发射机、信息接收机以及多个终端设备；其特征在于，能量发射机与信息接收机分开放置，所述能量发射机连接有多天线的MIMO天线阵列；每个所述终端设备连接有单天线；并使用无线方式进行传输即包括无线能量传输和无线信息传输；所述终端设备向能量发射机发射探测信号，所述能量发射机对所述探测信号共轭放大，并将共轭放大后的能量信号返回至所述终端设备中，所述终端设备利用获取的能量向信息接收机发送信息信号。

2.根据权利要求1所述的一种无线供电网络模型，其特征在于，所述终端设备分布在能量发射机周围，且不超过第一阈值距离范围内，所述信息接收机距离信息接收机为第二阈值距离，其中所述第二阈值距离大于所述第一阈值距离。

3.一种无线供电网络中基于相位共轭的时间分配方法，其特征在于，所述方法包括：

终端设备向能量发射机发射探测信号，并确定出对应的探测信号时间；

所述能量发射机将所述探测信号共轭放大，将共轭放大后的能量信号以一定发射功率向终端设备发射能量，并确定出对应的能量传输时间；

所述终端设备利用获取的能量向信息接收机发送信息信号，并确定出对应的信息传输时间；

基于探测信号时间、能量传输时间以及信息传输时间，构建出最大化吞吐量模型；

利用黄金分割法对所述最大化吞吐量模型求解，得到最优的探测信号时间、能量传输时间以及信息传输时间分配结果；将计算出的最优的探测信号时间、信息传输时间分配给终端用户，将能量传输时间分配给能量发射机。

4.根据权利要求3所述的一种无线供电网络中基于相位共轭的时间分配方法，其特征在于，所述能量发射机将所述探测信号共轭放大包括所述信息接收机通过MIMO阵列中的每一根天线使用与所述探测信号相同的载波发送一个正弦波信号，对所述正弦波信号幅度相位取共轭得到能量信号，并以更大的发射功率将此能量信号发射给终端信号。

5.根据权利要求3所述的一种无线供电网络中基于相位共轭的时间分配方法，其特征在于，所述终端设备利用获取的能量向信息接收机发送信息信号包括终端设备采用空分多址的方式向信息接收机同时发送消息信号。

6.根据权利要求3所述的一种无线供电网络中基于相位共轭的时间分配方法，其特征在于，所述最大化吞吐模型表示为：

S.tτ₁+τ₂+τ₃＝1

τ₁,τ₂,τ₃,P_t,P_k,

其中，R表示***吞吐量；K表示终端设备数量；W表示带宽；τ₃表示信息传输时间；P_t表示能量发射机的发射功率；

表示共轭后的信道系数；P_l表示终端设备l发送探测信号的功率；h_k表示能量发射机到终端设备k的信道；h_l表示能量发射机到终端设备l的信道；

表示共轭后的噪声；τ₂表示能量传输时间；ζ表示能量传输效率；P_k表示终端设备k发送探测信号的功率；τ₁表示探测信号时间；g_k表示从终端设备k到信息接收机的信道系数；N₀表示功率谱密度，上标H表示共轭转置操作；

表示终端设备k在耗尽能量的情况下发送探测信号的功率。

7.根据权利要求6所述的一种无线供电网络中基于相位共轭的时间分配方法，其特征在于，所述利用黄金分割法对所述最大化吞吐量模型求解包括：

1)设置出迭代区间[0,1]和误差精度，并令第一参数a＝0，第二参数b＝1；

2)如果第二参数与第一参数之间的差b-a>ε，则执行如下步骤：

3)令a1＝a+0.382(b-a)，a2＝a+0.618(b-a)；将a1和a2分别代入所述最大化吞吐模型中，得到对应的第一***吞吐量R1和第二***吞吐量R2；

4)判断所述第一***吞吐量是否小于所述第二***吞吐量，若小于，则令b＝a2，若不小于，则令a＝a1，直至步骤2)不成立进入步骤5)；

5)计算出***总吞吐量表示为

8.一种无线供电网络中基于相位共轭的时间分配装置，其特征在于，包括：

探测信号时间记录模块，用于确定出终端设备向能量发射机发射探测信号所对应的探测信号时间；

能量传输时间记录模块，用于确定出能量发射机将所述探测信号共轭放大，将共轭放大后的能量信号以一定发射功率向终端设备发射能量所对应的能量传输时间；

信息传输时间记录模块，用于确定出所述终端设备利用获取的能量向信息接收机发送信息信号所对应的信息传输时间；

吞吐量模型构建模块，基于探测信号时间、能量传输时间以及信息传输时间，构建出最大化吞吐量模型；

黄金分割计算模块，利用黄金分割法对所述最大化吞吐量模型求解，得到最优的探测信号时间、能量传输时间以及信息传输时间分配结果；

时间分配模块，将模型计算出的最优的探测信号时间、信息传输时间分配给终端用户，能量传输时间分配给能量发射机。

Images