CN102005828B - 基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统及方法。本发明针对现有的无线传感器网络节点无法有效进行无线充电的缺点，提出了基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统及方法。本发明的系统包括节点端和基站端，利用节点端和基站端的TR计算器对接收到的试探脉冲信号进行处理，进而可以对受能节点进行充电。本发明的系统和方法，可以利用时间反演处理脉冲信号，使受能节点接收到的信号在空间上聚焦于原始发射点，在时间上被显著压缩，能量聚焦于某时刻，实现了对无线传感器网络节点的有效充电。

Description

基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统及方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及无线传感器网络节点无线充电的系统及方法。

背景技术

无线传感器网络中的网络节点众多，并且需要进行实时检测、数据处理。一般节点均采用电池供电，可使用的电量非常有限，且对成千上万个节点更换电池非常困难，而太阳能电池显然体积过于庞大。为了使无线传感器网络具有持久的工作能力，目前的解决方法是：制定让大多数节点处于自适应休眠和唤醒的工作模式，把没有传感任务的传感器节点的计算和通信模块关掉或者调到更低能耗的状态，从而达到节省能量的目的。此外，也应用动态电压调节和动态功率管理、数据融合、减少控制报文、减小通信范围和短距离多跳通信等方法来降低网络的能耗，以最大程度上节省电源的消耗，延长网络的寿命。

实际的无线传感器网络通常处在非常复杂的多散射环境中，信号经过不同的路径后到达接收端，会产生多径效应。这是因为电磁波从发射天线传到接收天线过程中，除有收发连线的直射波外还可能有从发射天线经地面、地物或大气不均匀层引起的反射等多条路径传到接收天线的电磁波。由于各条路径的电长度是随时间变化的，因此从各条路径传来的电磁波的幅度、相位也随时间变化。当这些从不同路径来的信号到达接收点时就会产生随机干涉，由此引起合成波场的随机变化，从而形成总的接收场的衰落，大大降低了无线能量传输的效率，造成了无线传感器网络节点无线充电的困难。

无线传感器网络应该在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实可靠的物理世界的信息，但电能的不足始终限制了无线传感器网络监测、感知、采集、处理、传送各种环境或监测对象信息的能力，阻碍无线传感器网络的进一步发展。

发明内容

本发明的目的是克服现有的无线传感器网络节点无法有效进行无线充电的缺点，提出了一种基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统，包括节点端和基站端。

所述节点端包括：节点接收天线，用于接收其它节点或基站发射出的信号；低噪声放大器，用于放大接收到的信号便于进一步处理；模数转换器，用于把放大后的模拟的信号转换为数字信号；TR计算器，用于将转换之后的数字信号反转、存储；数模转换器，用于把TR计算器处理后的数字信号转换为模拟信号；功率放大器，用于增大转换后的模拟信号的输出功率；节点发射天线，用于发射试探脉冲信号或功率放大器放大后的信号；脉冲发生器，用于产生试探脉冲信号；整流电路，把接收到的脉冲信号变成直流电流；开关电路a，用于改变节点接收天线与低噪声放大器或整流电路的连接方式，为单刀双掷；开关电路b，用于改变节点发射天线与功率放大器或脉冲发生器的连接方式，为单刀双掷；储能电容，用于储存直流能量；

所述基站端包括：基站接收天线，用于接收其它节点发射出的信号；低噪声放大器，用于放大接收到的信号便于进一步处理；模数转换器，用于把放大后的模拟的信号转换为数字信号；TR计算器，用于将转换之后的数字信号反转、存储；数模转换器，用于把TR计算器处理后的数字信号转换为模拟信号；功率放大器，用于增大转换后的模拟信号的输出功率；基站发射天线，用于发射功率放大器放大后的模拟信号。

针对上述基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统，本发明又提出了一种基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电方法，包括如下步骤：

S1.检查无线传感器网络，当某一节点的电能低于设定的阈值，为受能节点，受能节点的开关电路a、开关电路b分别使：节点接收天线与整流电路连接，节点发射天线与脉冲发生器连接，此时受能节点的脉冲发生器产生试探脉冲信号p(t)，节点发射天线将试探脉冲信号向周围全向发送；

S2.如果周边节点的电能高于设定的阈值，为输能节点，输能节点的开关电路a、开关电路b分别使：节点接收天线与低噪声放大器连接，节点发射天线与功率放大器连接，如果周边有邻近的基站，基站也作为输能节点，在周边若干个输能节点中，设第n个输能节点用接收天线接收的用低噪声放大器放大后得到响应信号为y_n(t)，其中

h_n(t)是受能节点到第n个输能节点的信道冲激响应；

S3.在第n个输能节点，对接收到的响应信号y_n(t)，用模数转换器进行模数转换，再利用TR计算器对转换之后的数字信号进行反转、存储，然后利用数模转换器将存储的数字信号再转换为模拟信号，经过功率放大器增大输出功率后再用发射天线将该信号发射出去，这里的发射信号用z_n(t)表示，即有： $z_n\left(t\right)=y_n(-t)=p(-t)\⊗h_n(-t);$

S4.受能节点利用节点接收天线接收到第n个输能节点处理之后的信号r_n(t)，此时r_n(t)为：

受能节点利用节点接收天线接收到来自多个输能节点处理之后的信号，然后将这些信号经过整流电路整流并存储在储能电容中，进而完成一次充电；

S5.所有的受能节点重复步骤S1至S4，进行多次充电，直到完成无线传感器网络所有受能节点的充电。

上述步骤S1中，所述试探脉冲信号p(t)为基带高斯二阶脉冲。

本发明的有益效果：本发明针对现有的无线传感器网络节点无法有效进行无线充电的缺点，提出了基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统及方法。该系统及方法利用时间反演处理脉冲信号，使受能节点接收到的信号在空间上聚焦于原始发射点，在时间上被显著压缩，能量聚焦于某时刻，实现了对无线传感器网络节点的有效充电。

附图说明

图1是基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统节点端系统结构示意图。

图2是基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统基站端系统结构示意图。

图3是本发明的能量传输路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施方式。

本发明是基于以下情况考虑的：在存在多径干扰的情况下，合成波场会随机变化，从而造成总的接收场的衰落，大大降低了无线能量传输的效率，使得无线传感器网络节点无线充电困难。此时，引入时间反演(TR，Time Reversal)，可以保证电磁信号在空间上聚焦于原始发射点，在时间上被显著压缩，能量聚焦于某时刻。因此，可以将时间反演引入到无线传感器网络节点的无线充电。

基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电的基本原理是利用“一到多”再“多到一”的信道传输模式实现数据的无线传输。

具体展开如下：一种基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统，包括节点端和基站端。

如图1所示，节点端包括：节点接收天线，用于接收其它节点或基站发射出的信号；低噪声放大器，用于放大接收到的信号便于进一步处理；模数转换器，用于把放大后的模拟的信号转换为数字信号；TR计算器，用于将转换之后的数字信号反转、存储；数模转换器，用于把TR计算器处理后的数字信号转换为模拟信号；功率放大器，用于增大转换后的模拟信号的输出功率；节点发射天线，用于发射试探脉冲信号或功率放大器放大后的信号；脉冲发生器，用于产生试探脉冲信号；整流电路，把接收到的脉冲信号变成直流电流；开关电路a，用于改变节点接收天线与低噪声放大器或整流电路的连接方式，为单刀双掷；开关电路b，用于改变节点发射天线与功率放大器或脉冲发生器的连接方式，为单刀双掷；储能电容，用于储存直流能量。

如图2所示，基站端包括：基站接收天线，用于接收其它节点发射出的信号；低噪声放大器，用于放大接收到的信号便于进一步处理；模数转换器，用于把放大后的模拟的信号转换为数字信号；TR计算器，用于将转换之后的数字信号反转、存储；数模转换器，用于把TR计算器处理后的数字信号转换为模拟信号；功率放大器，用于增大转换后的模拟信号的输出功率；基站发射天线，用于发射功率放大器放大后的模拟信号。

这里的TR计算器可以通过微处理器以硬件方式实现；这里的低噪声放大器和功率放大器可以根据实际情况进行具体选择。

针对上述基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统，基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电方法其具体实现过程包括如下步骤：

S1.检查无线传感器网络，当某一节点的电能低于设定的阈值，为受能节点，受能节点的开关电路a、开关电路b分别使：节点接收天线与整流电路连接，节点发射天线与脉冲发生器连接，此时受能节点的脉冲发生器产生试探脉冲信号p(t)，节点发射天线将试探脉冲信号向周围全向发送，用于获得空间物理信道的冲激响应特性，即“一到多”的过程。这里使用的试探脉冲信号是无调制的基带高斯二阶脉冲，其形式如下：

$p\left(t\right)=b(\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\α}}^2}{e}^{-\frac{{2\mathrm{\πt}}^2}{{\mathrm{\α}}^2}}-\frac{16{\mathrm{\π}}^2{t}^2}{{\mathrm{\α}}^4}{e}^{-\frac{{2\mathrm{\πt}}^2}{{\mathrm{\α}}^2}}),$

其中b是基带高斯二阶脉冲的幅值，α是脉冲宽度。

S2.如果周边节点的电能高于设定的阈值，为输能节点，输能节点的开关电路a、开关电路b分别使：节点接收天线与低噪声放大器连接，节点发射天线与功率放大器连接，如果周边有邻近的基站，基站也作为输能节点，在周边若干个输能节点中，设第n个输能节点用接收天线接收的用低噪声放大器放大后得到响应信号为y_n(t)，其中

h_n(t)是受能节点到第n个输能节点的信道冲激响应。这里的接收天线与输能节点的类型有关，输能节点是节点时，接收天线所指的是节点接收天线；当基站作为输能节点时，接收天线所指的是基站接收天线；这里的“信道冲激响应”也包括输能节点中接收天线和低噪声放大器的信道冲激响应。在这里，

表示卷积运算，下同，不再一一说明。

S3.在第n个输能节点，对接收到的响应信号y_n(t)，用模数转换器进行模数转换，再利用TR计算器对转换之后的数字信号进行反转、存储，然后利用数模转换器将存储的数字信号再转换为模拟信号，经过功率放大器增大输出功率后再用发射天线将该信号发射出去，这里的发射信号用z_n(t)表示，即有：

这里的发射天线与输能节点的类型有关，输能节点是节点时，发射天线所指的是节点发射天线；当基站作为输能节点时，发射天线所指的是基站发射天线；

S4.受能节点利用节点接收天线接收到第n个输能节点处理之后的信号r_n(t)，此时r_n(t)为：受能节点利用节点接收天线接收到来自多个输能节点处理之后的信号，然后将这些信号经过整流电路整流并存储在储能电容中，进而完成一次充电。此过程是“多到一”的过程。

时间反演的时空聚焦可以看作是接收端与发射端之间非均匀介质传播信道的时空匹配均衡。与信号传输匹配滤波器原理非常相似，即“一个冲激响应为h(t)的线性系统的输出能够在输入信号为h(-t)时达到最大，该响应是通过卷积

得到的。”

为自适应函数，在t＝0处达到由输入信号给予的能量最大值，即能量的聚焦。

另外，由于各个输能节点所记录的响应信号y_n(t)已充分考虑了不同路径所引入的空间相位延迟、以及非均匀介质所带来的影响，所以来自周边输能节点的信号r_n(t)可以实现在同一时刻到达，即时间的聚焦。

S5.所有的受能节点重复步骤S1至S4，进行多次充电，直到完成无线传感器网络所有受能节点的充电。

所有的受能节点的充电过程重复上述步骤。也即是，在无线传感器网络全部节点的充电过程中，最终的能量传输路径是以基站为出发点，发出缺电请求的受能节点作为终点，具体描述如下，如图3所示，以节点K为例：

缺电节点K作为受能节点发出请求，得到其周围多个输能节点的响应，多个输能节点给节点K输电，输能结束后，如果节点K的电能高于设定的阈值，则节点K的充电过程结束，如果节点K的电能仍低于设定的阈值，重复这个过程，此时节点K周围的多个节点，以节点K+1为例，如果节点K+1的电能低于设定的阈值，则节点K+1将作为受能节点发出请求，则将重复节点K的上述过程……，直到最终得到基站的响应。

本发明的基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统及方法，利用时间反演处理脉冲信号，使受能节点接收到的信号在空间上聚焦于原始发射点，在时间上被显著压缩，能量聚焦于某时刻，实现了对无线传感器网络节点的有效充电。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统，包括节点端和基站端，其特征在于，

所述节点端包括：节点接收天线，用于接收其它节点或基站发射出的信号；低噪声放大器，用于放大接收到的信号便于进一步处理；模数转换器，用于把放大后的模拟的信号转换为数字信号；TR计算器，用于将转换之后的数字信号反转、存储；数模转换器，用于把TR计算器处理后的数字信号转换为模拟信号；功率放大器，用于增大转换后的模拟信号的输出功率；节点发射天线，用于发射试探脉冲信号或功率放大器放大后的信号；脉冲发生器，用于产生试探脉冲信号；整流电路，把接收到的脉冲信号变成直流电流；开关电路a，用于改变节点接收天线与低噪声放大器或整流电路的连接方式，为单刀双掷；开关电路b，用于改变节点发射天线与功率放大器或脉冲发生器的连接方式，为单刀双掷；储能电容，用于储存直流能量；

所述基站端包括：基站接收天线，用于接收其它节点发射出的信号；低噪声放大器，用于放大接收到的信号便于进一步处理；模数转换器，用于把放大后的模拟的信号转换为数字信号；TR计算器，用于将转换之后的数字信号反转、存储；数模转换器，用于把TR计算器处理后的数字信号转换为模拟信号；功率放大器，用于增大转换后的模拟信号的输出功率；基站发射天线，用于发射功率放大器放大后的模拟信号。

2.一种基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电方法，包括如下步骤：

S1.检查无线传感器网络，当某一节点的电能低于设定的阈值，为受能节点，受能节点的开关电路a、开关电路b分别使：节点接收天线与整流电路连接，节点发射天线与脉冲发生器连接，此时受能节点的脉冲发生器产生试探脉冲信号p(t)，节点发射天线将试探脉冲信号向周围全向发送；

S2.如果周边节点的电能高于设定的阈值，为输能节点，输能节点的开关电路a、开关电路b分别使：节点接收天线与低噪声放大器连接，节点发射天线与功率放大器连接，如果周边有邻近的基站，基站也作为输能节点，在周边若干个输能节点中，设第n个输能节点用接收天线接收的用低噪声放大器放大后得到响应信号为y_n(t)，其中h_n(t)是受能节点到第n个输能节点的信道冲激响应；

S3.在第n个输能节点，对接收到的响应信号y_n(t)，用模数转换器进行模数转换，再利用TR计算器对转换之后的数字信号进行反转、存储，然后利用数模转换器将存储的数字信号再转换为模拟信号，经过功率放大器增大输出功率后再用发射天线将该信号发射出去，这里的发射信号用z_n(t)表示，即有：

$z_n\left(t\right)=y_n(-t)=p(-t)\⊗h_n(-t);$

S4.受能节点利用节点接收天线接收到第n个输能节点处理之后的信号r_n(t)，此时r_n(t)为：

受能节点利用节点接收天线接收到来自多个输能节点处理之后的信号，然后将这些信号经过整流电路整流并存储在储能电容中，进而完成一次充电；

S5.所有的受能节点重复步骤S1至S4，进行多次充电，直到完成无线传感器网络所有受能节点的充电。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述试探脉冲信号p(t)为基带高斯二阶脉冲。

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