CN104301946A - 一种无线能量和数据的联合传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线能量和数据的联合传输方法，首先将源节点通过信令信道广播中继节点的发送顺序；源节点先用τ₀时间向所有中继节点广播能量；用τ_l时间向第l个中继发送数据，l＝1,…,L。当其中一个中继接收数据时，其余中继机会性地从收到的射频信号中采集能量；在中继发送阶段，中继节点按照发送顺序向目的节点转发从源节点收到的数据，当一个中继在发送数据时，其他中继处于能量采集状态，在每次发送中，中继节点用完全部能量，在完成发送后，中继节点通过信令信道广播“END”，表示本次发送结束；与现有技术相比，采用本发明的技术方案能够在中继节点无稳定的能量供应，只能从源节点的射频信号中获取能量时，能够获得最大的传输速率，具有推广应用的价值。

Description

一种无线能量和数据的联合传输方法

技术领域

本发明涉及一种无线通讯技术，尤其涉及一种无线能量和数据的联合传输方法。

背景技术

在无线传感网中，传感节点的工作时间往往受到电池电量的限制。通过能量采集技术使传感器节点从周围环境中获得能量可以有效延长网络的工作寿命。随着无线能量传输技术的发展，除了太阳能、风能等常规可再生能源外，射频信号也成为一种新的可用能源[1]。在使用无线能量传输技术的通信系统中，信息和能量可以同时被传输。如何使无线网络获得能量传输效率和信息传输速率的最佳折中是目前研究的热点。目前的研究工作均未考虑在存在多个中继节点的双跳网络中，如何分配源节点和中继节点之间的能量传输时间，信息传输时间以及中继节点和目的节点之间的信息传输时间，以获得最短的传输时间(或最大的传输速率)，成为迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种无线能量和数据的联合传输方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括以下步骤：

(1)源节点通过信令信道广播中继节点的发送顺序；

(2)源节点先用τ₀时间向所有中继节点广播能量；

(3)用τ_l时间向第l个中继发送数据，l＝1,…,L。当其中一个中继接收数据时，其余中继机会性地从收到的射频信号中采集能量；

(4)在中继发送阶段，中继节点按照发送顺序向目的节点转发从源节点收到的数据，当一个中继在发送数据时，其他中继处于能量采集状态，在每次发送中，中继节点用完全部能量，在完成发送后，中继节点通过信令信道广播“END”，表示本次发送结束；下一个中继在收到上一个中继的结束指令后，从能量采集模式转换到数据传输模式，所有中继按照发送顺序轮流向目的节点发送数据，直到所有比特都传送给目的节点。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种无线能量和数据的联合传输方法，与现有技术相比，采用本发明的技术方案能够在中继节点无稳定的能量供应，只能从源节点的射频信号中获取能量时，能够获得最大的传输速率，具有推广应用的价值。

附图说明

图1是本发明发送方案实例(L＝2,P_s＝P_l＝1mW)的曲线图；

图2是本发明中继节点的发送功率和平均传输速率的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明中考虑一个包括一个源节点，L个中继节点和一个目的节点的高斯多中继信道。由于障碍物阻挡或深衰落的影响，在源节点和目的节点之间不存在直达径。在数据和能量传输过程中，源节点和中继之间的信道以及中继节点和目的节点之间的信道保持不变。源节点和第l个中继节点的发送功率分别是P_s和P_l(l＝1,…,L)。当源节点向第l个中继节点发送信息时，传输速率为b_s.l＝log(1+γ_s,lP_s/N₀)，其中，γ_s,l表示从源节点到第l个中继节点的信道增益。当第l个中继节点向目的节点发送信息时，信息传输速率为b_l＝log(1+γ_l,dP_l/N₀)，其中，γ_l,d表示从第l个中继节点到目的节点的信道增益。中继节点工作在半双工模式。为避免干扰，源节点和中继节点在不同时隙内发送信号或能量。中继节点对收到的信息进行解码前传。

假定所有中继节点都只能从源节点发送的射频信号中获得能量，并将能量存储在电池中，用于转发数据。若中继节点在转发完所有比特后仍有剩余能量，可将剩余能量以无线功率传输的方式转移给其他节点。由于实际电路的限制，中继节点无法同时采集能量和解码信息。假设中继节点以时分的方式采集能量和接收信息。当一个中继从源节点接收信息时，其他中继机会性地从收到的射频信号中采集能量。第l个中继节点的能量采集效率为ηγ_s,lP_s，其中，0＜η≤1为能量转换效率。而且，当一个中继发送信息时，其他中继也可从收到的射频信号中采集能量。当中继l发送信号时，中继l'的能量采集效率为ηγ_l,l'P_l，其中，γ_l,l'表示从中继l到中继l'的信道增益。

在传输过程中，每个中继节点都必须满足能量和数据的因果约束条件。也就是说，在任意时刻，中继节点所消耗的总能量必须小于等于节点所采集的总能量；中继节点所发送的比特必须小于等于所接收的比特。设源节点有B比特信息需要传输给目的节点。在本发明中，提出一种最优的传输方案，该方案能在满足中继节点的能量和数据的因果约束的条件下，最小化系统的传输时间(或最大化系统的传输速率)。确定最优的发送方案实际就是确定源节点和中继节点的发送顺序以及各节点在每个时间段的发送时间。对于任一给定的发送顺序，各中继节点在每一段内的发送时间都应满足能量和数据的因果约束条件。然而，如果不考虑具体的发送过程，而只是考虑在整个发送过程结束时各个中继的能量和数据约束(相当于放宽了约束条件)，所得到的是一个传输时间的下界。下面，分析如何获得这个传输时间的下界。在任意发送方案中，无论发送顺序如何，总的发送时间都可以分为4部分：

1.τ₀：源节点给中继节点传输能量的时间；

2.τ_l：源节点给第l个中继发送数据的时间；

3.T_E,l：第l个中继向其它中继转移能量的总时间；

4.T_S,l:第l个中继向目的节点传输数据的总时间。

传输时间的下界可以通过求解下面的线性规划问题得到：

$\begin{array}{cc}J=\underset{{\mathrm{\τ}}_0,{\mathrm{\τ}}_l,T_{E,l}}{\min }& {\mathrm{\τ}}_0+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_l+T_{E,l}+T_{S,l}\\ s.t.& \begin{array}{c}{P}_l(T_{S,l}+T_{E,l})\≤\mathrm{\η}{\mathrm{\γ}}_{s,l}{P}_s({\mathrm{\τ}}_0+\underset{l^{\′}\≠l}{\overset{L}{\underset{l^{\′}=1}{\mathrm{\Σ}}}})+\mathrm{\Σ\η}{\mathrm{\γ}}_{l^{\′},l}{P}_{l^{\′}}(T_{S,l^{\′}}+T_{E,l^{\′}}),\∀l\\ b_l{T}_{S,l}=b_{s,l}{\mathrm{\τ}}_l,\∀l\\ \underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{s,l}{\mathrm{\τ}}_l=B,\\ {\mathrm{\τ}}_0\≥0,{\mathrm{\τ}}_l\≥0,T_{E,l}\≥0,\∀l\end{array}\end{array}---\left(1\right)$

中的约束条件1保证在发送结束时，所有中继都满足能量的因果约束条件；

约束条件2保证在发送结束时，每个中继收到的比特数应该等于发送的比特数。

(1)是一个典型的线性规划问题，可用单纯性法求解。接下来，提出一个能获得(1)中所得到最小传输时间的可行性方案。为了在中继节点间进行有效协作，我们需要一个独立的频率信道用于广播和交换信令信息。数据发送开始前，源节点通过信令信道广播节点的发送顺序(发送顺序不影响总发送时间。向中继节点广播发送顺序只是为了节间的协作)。在所提方案中，发送过程包括两个阶段，第一阶段：源节点将所有信息和中继所需能量发送给中继节点；第二阶段：中继节点将接收到的信息以解码前传的方式转发给目的节点。发送方案的具体实现步骤为：

(1)源节点通过信令信道广播中继节点的发送顺序；

(2)源节点先用τ₀时间向所有中继节点广播能量；

(3)用τ_l时间向第l个中继发送数据，l＝1,…,L。当其中一个中继接收数据时，其余中继机会性地从收到的射频信号中采集能量；

(4)在中继发送阶段，中继节点按照发送顺序向目的节点转发从源节点收到的数据，当一个中继在发送数据时，其他中继处于能量采集状态，在每次发送中，中继节点用完全部能量，在完成发送后，中继节点通过信令信道广播“END”，表示本次发送结束；下一个中继在收到上一个中继的结束指令后，从能量采集模式转换到数据传输模式，所有中继按照发送顺序轮流向目的节点发送数据，直到所有比特都传送给目的节点。(在中继发送阶段，每个中继都需要多次发送才能将接收到的比特传输到目的节点)。

在所提方案中，中继节点在每次发送中都满足能量及数据的约束条件，因此，对所提方案而言，只需要满足在发送结束时能量和数据的因果条件即可。而且，可以看出，在所提方案中的τ₀，τ_l以及中继节点的能量发送和数据发送的总时间满足(1)中的约束条件，因此，所提方案的时间分配可以通过求解(1)获得。由于(1)中所得到的发送时间是最优解的下界，所提方案能获得最优解的下界，证明该方案是能获得最短发送时间(或最大传输速率)的最优方案。

实例1：

如图1所示，考虑一个由1个源节点，2个中继节点和1个目的节点组成的两跳网络(中继节点装有射频信号能量采集电路和信号解码电路)。对于给定的一组信道增益，我们可以算出最优的时间分配τ₀＝0.09s,τ₁＝0.02s,τ₂＝0.03s。在整个发送过程中，源节点先用0.09s向中继1和中继2广播能量；在0.09-0.11时间段内，源节点向中继节点1发送数据，中继节点2机会性地从射频信号中采集能量；在0.11-0.14时间段内，源节点向中继节点2发送数据，中继节点1机会性地从射频信号中采集能量。在中继发送阶段，发送顺序为(中继1，中继2)。从图中可以看出，中继1和2各经历两次发送才将全部数据转发给目的节点。在每次发送时，中继使用全部能量发送数据。比如，在第一次发射中，中继1使用全部能量向目的节点发送数据，中继2则从接收到的射频信号中采集能量；当中继2使用全部能量向目的节点发送数据时，中继1可从接收到的射频信号中为下一次的数据发送采集能量。中继1和中继2交替发送，直到所有比特被传输给目的节点。

实例2：

在本实验中，信号带宽为10MHz，接收机噪声的功率谱密度为-170dBm/Hz，能量采集电路的转化效率为0.7。源节点和目的节点间的距离为6m。源节点的发送功率P_s＝100mW。

如图2所示：中继节点的发送功率和平均吞吐量的关系。在提出的发送方案中，总发送时间包括中继节点的能量接收时间，中继节点的数据接收数据以及中继节点的数据发送时间。中继节点的发送功率越大，节点的数据传输时间越短，但相应的所需要的能量采集时间越长。从图中，我们可以找到最小化总发送时间的中继节点的发送功率。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种无线能量和数据的联合传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)源节点通过信令信道广播中继节点的发送顺序；

(2)源节点先用τ₀时间向所有中继节点广播能量；

(3)用τ_l时间向第l个中继发送数据，l＝1,…,L；当其中一个中继接收数据时，其余中继机会性地从收到的射频信号中采集能量；

(4)在中继发送阶段，中继节点按照发送顺序向目的节点转发从源节点收到的数据，当一个中继在发送数据时，其他中继处于能量采集状态，在每次发送中，中继节点用完全部能量，在完成发送后，中继节点通过信令信道广播“END”，表示本次发送结束；下一个中继在收到上一个中继的结束指令后，从能量采集模式转换到数据传输模式，所有中继按照发送顺序轮流向目的节点发送数据，直到所有比特都传送给目的节点。