CN104022801A - 一种自适应二维无线能量传输方法 - Google Patents

Abstract

一种自适应二维无线能量传输方法包括以下步骤：1)假定在t＝1,2,…,T时刻预知节点1和节点2获得能量的总数分别为和并规定能量在时间维度是单向传输的，在节点维度是可以双向传输的；2)基于二维无线能量传输方法实现在节点维度上的能量传递，使得每个节点在相同的时刻具有相等的能量；3)基于二维无线能量传输方法实现在时间维度上的能量传递，从第1个时刻开始，在同一节点内，如果当前时刻的能量大于未来相邻时刻的能量，则进行时间维度上的能量传输，使得两个时刻的能量相等；否则由于时间维度上能量传输的不可逆性，不进行能量传输。本发明提出了一种有效的无能能量传输方法，它可以优化网络节点能量分配、提高节点的总吞吐量。

Description

一种自适应二维无线能量传输方法

技术领域

本发明涉及一种自适应时间维度和节点维度的无线能量传输方法。

背景技术

无接触感应电能传输技术即无线能量传输技术是一种新型技术。从法拉第发现电磁感应现象以来，电能主要是由导线传输，用电设备主要是通过插头和插座等连接器的接触来获取能量，这种传输方式存在很多的不足。例如它很容易产生摩擦、损耗和导体裸露等现象，从而影响用电设备寿命和人类自身安全。随后赫兹通过实验证明了电磁波可以在自由空间中产生，并能在接收端被检测到，这是最早的无线能量传输实验。由于早期无线能量传输的效率很低并且没有市场需求，因此人们对这一研究缺乏热情，使得这项技术一直停滞不前。

直到二十世纪末，随着无线网络的发展，人们对这一技术研究的兴趣越来越浓厚，并开始对其进行深入的研究，从而满足各行各业对无线能量传输技术的需求。无线能量传输技术是一种很前沿的技术，但是它现在还并不是很成熟。在未来的无线网络中，节点被设想能够从外界环境收集能源，并且可以将能量传输到其它节点，从而网络节点都能从外界环境或者其他节点处获得足够维持自己正常工作所需的能量。虽然无线能量传输是无线通信中一个相对较新的概念，但它已经被运用在很多其他场合中。例如，在光通信或者太空任务中使用的微波功率传输技术。然而，这些系统总是需要特定的硬件或基础设施来实现，不能直接应用于无线网络节点。传统无线网络的主要任务是实现无线数据传输，即通过电磁波实现网络节点间的数据通信。其网络节点往往具有体积小、移动性高和电池容量小等特点，并通过能量捕获单元从周围环境中采集能量，增加网络节点的使用寿命。然而某些节点由于地理位置或移动性等原因，无法采集到足够的能量，此时需要无线能量传输技术将能量从储备较丰富的邻居节点传输到该节点。因此如何在现有无线网络节点的基础上，将能量通过电磁波进行节点间的无线传输是一个新的难题，亟需一种新的无线能量传输技术来保证能量的传输。

发明内容

本发明提供一种自适应时间维度和节点维度的能量传输方法，依靠现有无线传输技术实现节点之间的传输能量，并使网络的总吞吐量打到最大化。它是一种可以控制能量在时间维度是单向传输的，即能量只能从现在时刻传输到未来时刻，在节点维度是可以双向传输的，即节点之间的能量可以相互传输,并且能使网络总吞吐量达到最大的无线能量传输方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种自适应二维无线能量传输方法，所述无线能量传输方法包括以下的内容：

考虑一个由两个节点组成的双工通信信道模型。节点1和节点2分别具有各自的能量队列和数据队列。每个节点在不同的时刻获得不等的能量，为了增加无线网络的使用寿命、平衡网络节点间能量需求，因此会产生能量传输问题。本发明提出了一种通过能量的传输使得节点总吞吐量达到最大化的方法。

假设在某时间段内节点1和节点2在每个时刻(t＝1,2,…,T，其中T表示最大时刻)通过能量捕获获得的总能量分别为和其中字母E表示获得的能量，右上角的数字1和2分别表示节点1和节点2，右下角的数字1,2,…,T表示每个时刻。节点1和节点2在每个时刻用于传输数据队列的能量分别为 其中字母P表示用于数据队列的能量，右上角的数字1和2分别表示节点1和节点2，右下角的数字1,2,…,T表示每个时刻。所提方法设定：能量在时间维度是单向传输的，即能量只能从现在时刻传输到未来时刻，在节点维度是可以双向传输的，即节点之间的能量可以相互传输。其中，节点维度的能量传输效率为α(0≤α≤1)，所以节点U传输的能量到节点V时，节点U的能量队列有的能量离开，同时节点V的能量队列有的能量进入，其中字母U代表能量多的节点序号(U＝1或2)，字母V代表能量少的节点序号(V＝1或2)，i表示某一时刻(i∈1,2,…,T，其中T表示最大时刻)。

引入能量传输方向函数和当时，即能量可以从节点1传输到节点2；当时，即能量可以从节点2传输到节点1。对于每个节点，具有如下能量约束条件：

其中，公式(1)表示第i时刻节点1用于数据队列传输的能量小于或等于节点1在第i时刻捕获的总能量，公式(2)表示第i时刻节点2用于数据队列传输的能量小于或等于节点2在第i时刻捕获的总能量，其中第i时刻节点捕获的总能量包括两部分：直接从环境中采集的能量和节点间相互传输获取或损失的能量。

此外，传输的能量必须小于等于传输节点从环境中采集的总能量，具体的能量约束条件如下：

当节点1和节点2分别用和能量传递数据时，它们的吞吐量分别是和在上述能量约束条件下，考虑这两个节点在能量传递时的总吞吐量最大化问题为：

$\underset{P_i^1,P_i^2,{\mathrm{\δ}}_i^U}{\max }\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{1}{2}{\log }_{10}(1+P_i^1)+\frac{1}{2}{\log }_{10}(1+P_i^2))---\left(4\right)$

其中max表示取最大值，表示以i为变量的求和函数。因此，结合公式(1)、(2)和(3)三个约束条件，总吞吐量最大化问题可以用拉格朗日函数H来求解：

$H=\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{1}{2}{\log }_{10}(1-P_i^1)+\frac{1}{2}{\log }_{10}(1-P_i^2))+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i{C}_1+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i{C}_2+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i{C}_3---\left(5\right)$

其中C₁、C₂和C₃分别代表由约束条件(1)、(2)和(4)转化得到：

拉格朗日函数中有3个拉格朗日函数因子分别是λ_i、μ_i和ν_i。根据上述拉格朗日函数H，分别对变量和求偏导数，可以得到最优化条件如下(i＝1,…,T)：

$\frac{1}{2(1+P_i^1)}+{\mathrm{\λ}}_i=0---\left(6\right)$

$\frac{1}{2(1+P_i^2)}+{\mathrm{\μ}}_i=0---\left(7\right)$

以及根据上述三个能量约束条件求极值：

从公式(6)、(7)、(8)可得三个拉格朗日函数因子如下：

${\mathrm{\λ}}_i\frac{-1}{2(1+P_i^1)}---\left(12\right)$

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{-1}{2(01+P_i^2)}---\left(12\right)$

如果在任何时刻即能量多的节点传输能量给其他节点时不把自身所有能量传输出去，由公式(11)可得v_k＝0，那么由公式(12)，(13)，(14)可得：

当传输效率α＝1的情况下，即能量传输理想状态，由公式(15)可以得到当时，能量队列是最优化的。

类似地，可以探讨单个节点时间维度的能量传输，我们可以用拉格朗日函数来求吞吐量最大化问题，由于本发明考虑能量只能从现在时刻传输到未来时刻，所以当能量队列的最优化条件是而当时，在时间维度不进行能量传输，其中U＝1或2。

本发明提供了一种自适应二维无线能量传输方法的步骤：

1)假定在某时间段内能预知节点1和节点2在每个时刻(t＝1,2,…,T，其中T表示最大时刻)通过能量捕获获得的总能量分别为和其中字母E表示获得的能量，右上角的数字1和2分别表示节点1和节点2，右下角的数字1,2,…,T表示每个时刻。每个节点在不同的时刻获得不等的能量，其中，能量在时间维度是单向传输的，即能量只能从现在时刻传输到未来时刻，在节点维度是可以双向传输的，即节点之间的能量可以相互传输。考虑无线能量传输的约束条件：①第i时刻节点1用于数据队列传输的能量小于或等于节点1在第i时刻捕获的总能量②第i时刻节点2用于数据队列传输的能量小于或等于节点2在第i时刻捕获的总能量③第i时刻传输的能量必须小于等于传输节点从环境中采集的总能量结合上述3个约束条件，网络总吞吐量H可以用以下拉格朗日函数来求解：

$H=\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{1}{2}{\log }_{10}(1-P_i^1)+\frac{1}{2}{\log }_{10}(1-P_i^2))+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i{C}_1+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i{C}_2+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i{C}_3$

其中λ_i、μ_i和ν_i分别表示3个拉格朗日函数因子，C₁、C₂和C₃分别由约束条件①、②和③转化得到：

其中α表示无线能量传输的效率，和表示能量传输方向函数：当时，即能量可以从节点1传输到节点2；当时，即能量可以从节点2传输到节点1。

通过求解拉格朗日函数最优条件，可以得到当传输效率α＝1的情况下，能量队列最优化的条件是此时网络的总吞吐量达到最大。同理，单个节点内时间维度的能量传输也可以用上述拉格朗日函数来求解。由于能量只能从现在时刻传输到未来时刻，所以当能量队列的最优化条件是而当时，则在时间维度不进行能量传输，其中U＝1或2。

2)通过1)的分析，节点先进行节点维度上的能量传输，当第i时刻节点1的能量大于节点2的能量，即那么在该时刻进行节点维度的能量传输，节点1向节点2传输能量，直到两个节点各自的能量总数相等。同理，当第i时刻节点1的能量小于节点2的能量，即那么在该时刻也进行节点维度的能量传输，节点2向节点1传输能量，直到两个节点各自的能量总数相等。当第i时刻节点1的能量和节点2的能量相等，即那么在该时刻不进行节点维度的能量传输，节点1和节点2之间不进行能量传输。

3)节点再进行时间维度上的能量传输，设定时间维度从第1时刻到第T时刻，当节点1在第j时刻的能量大于第j+1时刻的能量，即则节点1进行时间维度方向上的能量传输，即节点1从第j时刻将能量传输到第j+1时刻，直到节点1在第j时刻与第j+1时刻的能量相等；反之当节点1在第j时刻的能量小于或等于第j+1时刻的能量，即由于能量在时间维度上的传递是单向不可逆的，即节点1不能将未来时刻的能量传输到当前时刻，因此节点1不进行能量传输。同理，当节点2在第j时刻的能量大于第j+1时刻的能量，即则节点2进行时间维度上的能量传输，即节点2从第j时刻将能量传输到第j+1时刻，直到节点2在第j时刻与第j+1时刻的能量相等；反之当节点2在第j时刻节点2的能量小于或等于第j+1时刻的能量，即由于能量在时间维度上的传递是单向不可逆的，即节点2不能将未来时刻的能量传输到当前时刻，因此节点2不进行能量传输。

本发明的技术构思为：在无线网络中，为了提高无线能量传输中节点的总吞吐量和避免有些节点在某些时刻“饿死”(即没有能量)，必须根据不同时刻所获得的总能量，通过节点维度与时间维度的能量传递，避免能量浪费，使节点的总吞吐量达到最大化，实现能量的充分利用。

能量传输方法包括：

A.节点维度方法：即根据当前时刻每个节点的能量总数差异——能量多的节点向能量少的节点发送能量，增加节点的总吞吐量，以及避免出现节点处于“饿死”状态，充分利用能量资源。

B.时间维度方法：即根据当前节点每个时刻的能量总数差异——能量多的某一时刻可以向未来相邻的时刻发送能量，从初始时刻到末尾时刻依次类推，增加节点的总吞吐量，以及避免出现有些时刻节点处于“饿死”状态，充分利用能量资源。

为了计算节点的总吞吐量，以及找到最优化的方法，建立了一个由两个节点组成的双工通信信道，并引进了拉格朗日函数来考虑这个最优化问题。

本发明的有益效果主要表现在：利用不同节点在不同时刻所获得的总能量等信息，通过本发明可以有效的提高节点的总吞吐量，避免出现节点在某些时刻处于“饿死”状态，从而达到充分利用节点的能量资源。

附图说明

图1为无线能量传输模型示意图；

图2为无线能量传输过程简单示意图；

图3为本发明中基于自适应二维无线能量传输方法示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种自适应二维无线能量传输方法，所述无线能量传输方法包括以下步骤：

1)假定在某时间段内能预知节点1和节点2在每个时刻(t＝1,2,…,T，其中T表示最大时刻)通过能量捕获获得的总能量分别为和其中字母E表示获得的能量，右上角的数字1和2分别表示节点1和节点2，右下角的数字1,2,…,T表示每个时刻。每个节点在不同的时刻获得不等的能量，其中，能量在时间维度是单向传输的，即能量只能从现在时刻传输到未来时刻，在节点维度是可以双向传输的，即节点之间的能量可以相互传输。考虑无线能量传输的约束条件：①第i时刻节点1用于数据队列传输的能量小于或等于节点1在第i时刻捕获的总能量②第i时刻节点2用于数据队列传输的能量小于或等于节点2在第i时刻捕获的总能量③第i时刻传输的能量必须小于等于传输节点从环境中采集的总能量结合上述3个约束条件，网络总吞吐量H可以用以下拉格朗日函数来求解：

$H=\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{1}{2}{\log }_{10}(1-P_i^1)+\frac{1}{2}{\log }_{10}(1-P_i^2))+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i{C}_1+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i{C}_2+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i{C}_3$

其中λ_i、μ_i和ν_i分别表示3个拉格朗日函数因子，表示以i为变量的求和函数，C₁、C₂和C₃分别由约束条件①、②和③转化得到：

其中α表示无线能量传输的效率，和表示能量传输方向函数：当时，即能量可以从节点1传输到节点2；当时，即能量可以从节点2传输到节点1。

通过求解拉格朗日函数最优条件，可以得到当传输效率α＝1的情况下，能量队列最优化的条件是此时网络的总吞吐量达到最大。同理，单个节点内时间维度的能量传输也可以用上述拉格朗日函数来求解。由于能量只能从现在时刻传输到未来时刻，所以当能量队列的最优化条件是而当时，则在时间维度不进行能量传输，其中U＝1或2。

2)通过1)的分析，节点先进行节点维度上的能量传输，当第i时刻节点1的能量大于节点2的能量，即那么在该时刻进行节点维度的能量传输，节点1向节点2传输能量，直到两个节点能量总数相等。同理，当第i时刻节点1的能量小于节点2的能量，即那么在该时刻也进行节点维度的能量传输，节点2向节点1传输能量，直到两个节点能量总数相等。当第i时刻节点1的能量和节点2的能量相等，即那么在该时刻不进行节点维度的能量传输，节点1和节点2之间不进行能量传输。

3)节点再进行时间维度上的能量传输，设定时间维度从第1时刻到第T时刻，当节点1的第j时刻的能量大于第j+1时刻的能量，即则节点1进行时间维度方向上的能量传输，即节点1从第j时刻将能量传输到第j+1时刻，直到节点1在第j时刻与第j+1时刻的能量相等；反之当节点1的第j时刻的能量小于或等于第j+1时刻的能量，即由于能量在时间维度上的传递是单向不可逆的，即节点1不能将未来时刻的能量被传输到当前时刻，因此节点1不进行能量传输。同理，当节点2的第j时刻的能量大于第j+1时刻的能量，即则节点2进行时间维度上的能量传输，即节点2从第j时刻将能量传输到第j+1时刻，直到节点2在第j时刻与第j+1时刻的能量相等；反之当节点2的第j时刻节点2的能量小于或等于第j+1时刻的能量，即由于能量在时间维度上的传递是单向不可逆的，即节点2不能将未来时刻的能量传输到当前时刻，因此节点2不进行能量传输。

图1展示了一个由两个节点组成的双工通信信道。节点1和节点2分别有各自的能量队列和数据队列。数据的传输是双向的，而能量的传输是单向的，这是因为能量只能从高的节点传递到低的节点。图中，代表节点1在第i时刻的总能量，代表节点2在第i时刻的总能量，代表节点1在第i时刻传递到节点2的能量，代表节点1在第i时刻用于数据队列的能量，代表节点2在第i时刻用于数据队列的能量。

图2展示了一个无线能量传输的简单示意图。图中表示在t＝1,2,…,T时刻，其中T表示最大时刻，节点1和节点2获得能量的总数分别为和节点1用于数据队列的能量是节点2用于数据队列的能量是图中表明能量在时间维度是只能单向传输的，而在节点维度是可双向传输的，并且节点间传递的能量传递队列是

图3展示了基于自适应二维无线能量传输方法。图中展示了初始状态在1，2，3时刻节点1和节点2获得能量的总数分别为和根据自适应二维无线能量传输传输方法：首先进行节点维度的能量传输，由于节点1与节点2在各时刻所获得的的能量均不相等，所以在1、2、3时刻均要进行节点维度的能量传输，传输结束后节点1与节点2在第1、2、3时刻的能量分别为 $(E_1^2+E_2^2)/2,(E_3^1+E_3^2)/2$ 和 $(E_1^1+E_2^1)/2,(E_1^2+E_2^2)/2,(E_3^1+E_3^2)/2;$ 然后进行时间维度的能量传输，由于节点在第1时刻的能量大于第2时刻的能量，所以节点从第1时刻将能量传输到第2时刻，此时节点1与节点2在第1、2、3时刻的能量分别为 $(E_1^1+E_2^1+E_1^2+E_2^2)/4,(E_3^1+E_3^2)/2$ 和 $(E_1^1+E_2^1+E_1^2+E_2^2)/4,$ $(E_1^1+E_2^1+E_1^2+E_2^2)/4,(E_3^1+E_3^2)/2,(E_3^1+E_3^2)/2,$ 紧接着由于节点在第2时刻的能量小于第3时刻的能量，所以就不在第2时刻和第3时刻间传输能量，因为能量在时间维度的传输是不可逆的，所以结束状态也为上述状态。

Claims (1)

1.一种自适应二维无线能量传输方法，其中二维表示时间维度和节点维度，其特征在于：所述无线能量传输方法包括以下步骤：

1)假定在某时间段内能预知节点1和节点2在每个时刻(t＝1,2,…,T，其中T表示最大时刻)通过能量捕获获得的总能量分别为和其中字母E表示获得的能量，右上角的数字1和2分别表示节点1和节点2，右下角的数字1,2,…,T表示每个时刻；每个节点在不同的时刻获得不等的能量，其中，能量在时间维度是单向传输的，即能量只能从现在时刻传输到未来时刻，在节点维度是可以双向传输的，即节点之间的能量可以相互传输；考虑无线能量传输的约束条件：①第i时刻节点1用于数据队列传输的能量小于或等于节点1在第i时刻捕获的总能量②第i时刻节点2用于数据队列传输的能量小于或等于节点2在第i时刻捕获的总能量③第i时刻被传输的能量必须小于等于传输节点从环境中捕获的总能量其中U＝1或2。结合上述3个约束条件，网络总吞吐量H可以用以下拉格朗日函数来求解：

$H=\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{1}{2}{\log }_{10}(1-P_i^1)+\frac{1}{2}{\log }_{10}(1-P_i^2))+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i{C}_1+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i{C}_2+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i{C}_3$

其中λ_i、μ_i和ν_i分别表示3个拉格朗日函数因子，表示以i为变量的求和函数，C₁、C₂和C₃分别由约束条件①、②和③转化得到：

其中α表示无线能量传输的效率，和表示能量传输方向函数：当时，即能量可以从节点1传输到节点2；当时，即能量可以从节点2传输到节点1；

通过求解拉格朗日函数最优条件，可以得到当传输效率α＝1的情况下，能量队列最优化的条件是此时网络的总吞吐量达到最大。同理，单个节点内时间维度的能量传输也可以用上述拉格朗日函数来求解。由于能量只能从现在时刻传输到未来时刻，所以当能量队列的最优化条件是而当时，则在时间维度不进行能量传输；

2)通过步骤1)的分析，节点先进行节点维度上的能量传输，当第i时刻节点1的能量大于节点2的能量，即那么在该时刻进行节点维度的能量传输，节点1向节点2传输能量，直到两个节点各自的能量总数相等；同理，当第i时刻节点1的能量小于节点2的能量，即那么在该时刻也进行节点维度的能量传输，节点2向节点1传输能量，直到两个节点各自的能量总数相等。当第i时刻节点1的能量和节点2的能量相等，即那么在该时刻不进行节点维度的能量传输，节点1和节点2之间不进行能量传输；

3)节点再进行时间维度上的能量传输，设定时间维度从第1时刻到第T时刻，当节点1在第j时刻的能量大于第j+1时刻的能量，即则节点1进行时间维度方向上的能量传输，即节点1从第j时刻将能量传输到第j+1时刻，直到节点1在第j时刻与第j+1时刻的能量相等；反之当节点1在第j时刻的能量小于或等于第j+1时刻的能量，即由于能量在时间维度上的传递是单向不可逆的，即节点1不能将未来时刻的能量传输到当前时刻，因此节点1不进行能量传输；同理，当节点2在第j时刻的能量大于第j+1时刻的能量，即则节点2进行时间维度上的能量传输，即节点2从第j时刻将能量传输到第j+1时刻，直到节点2在第j时刻与第j+1时刻的能量相等；反之当节点2在第j时刻节点2的能量小于或等于第j+1时刻的能量，即由于能量在时间维度上的传递是单向不可逆的，即节点2不能将未来时刻的能量传输到当前时刻，因此节点2不进行能量传输。