CN104734832A - 一种信息能量同传发送方法及接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信息能量同传发送方法及接收方法，其中，所述发送方法包括：发射端基于第一优化参数集，根据第一优化目标和第一约束条件集来确定第一基带信号的第一预分配参数集；发射端基于第一优化结果和第二优化参数集，根据第二优化目标和第二约束条件集来确定第二基带信号的第二预分配参数集；根据第一预分配参数集和第二预分配参数集，将基带信号中的第一基带信号和第二基带信号处理成相应的射频信号通过天线进行发送；第一基带信号、第二基带信号为基带信号中的信息基带信号、能量基带信号二者之一。采用本发明所述方法能够为接收机提供足够能量，通过优化算法对信息信号和能量信号进行优化，既能提高能量传输效率又能提高信息传输速率。

Description

一种信息能量同传发送方法及接收方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术和无线充电技术的交叉领域，特别涉及一种信息能量同传发送方法及接收方法。

背景技术

无线信能同传(Simultaneous Wireless Information and EnergyTransfer)，即通过无线方式实现信息和能量的同时传输，是集成无线通信技术和无线能量传输技术的新兴通信技术。随着科技的发展，整合能源技术和通信技术成为趋势，既能实现高速可靠的通信，又能有效缓解能源和频谱稀缺的压力，在工业、医疗、基础设施发展等方面有着重要的应用价值。无线信能同传突破传统的无线通信手段，将能量属性同时考虑，整合无线通信技术和无线能量传输技术，实现信息和能量的并行同时传输，具有广泛的应用价值和创新意义：基于信息与能量同时传输的特点，用于各类依靠有限容量电池提供电能的无线终端或器件，通过从信号中采集能量为其馈电，极大延长待机时间，减小设备体积和成本，并能够大幅减少电池的生产量，大大降低电池生产制造与回收过程中造成的环境污染。基于非接触式的远距离传输的特点，可取代电池或者线缆供电，极大的提升供电的便利性。基于稳定性和可持续性的特点，可替代传统能量采集器(Energy Harvester)以采集环境能量(如风能、太阳能、动能等)为主的方式。同时，无线信能同传在改善人民生活方面的应用也是广泛的，会产生极大的社会效益：在医疗领域，植入医疗装置如心脏起搏器、心血管机器人等均存在严重的电池能量短缺问题，无线信能同传技术的装配可避免对患者造成严重的二次痛苦。在技术上，东南大学的郑祖翔、吴乐南等提出了AMPSK超窄带调制技术，并基于此调制技术设计了频域功率分配器，申请号：201410396157.0，专利名称“AMPSK无线携能通信系统的频域功率分配器”，该技术由于频带超窄，信息速率会大打折扣，而且在功率分配的过程中会造成功率损耗，另外信号在功率密度上可能会大大超出安全标准。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种信息能量同传发送方法及接收方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种信息能量同传发送方法，应用于发射端设备，所述方法包括：

发射端基于第一优化参数集，根据第一优化目标和第一约束条件集来确定第一基带信号的第一预分配参数集；

发射端基于第一优化结果和第二优化参数集，根据第二优化目标和第二约束条件集来确定第二基带信号的第二预分配参数集；

根据第一预分配参数集和第二预分配参数集，将基带信号中的第一基带信号和第二基带信号处理成相应的射频信号通过天线进行发送；

所述第一基带信号、第二基带信号为基带信号中的信息基带信号、能量基带信号二者之一，所述第一基带信号不同于第二基带信号。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述发射端为多载波发射机，所述第一基带信号为能量基带信号，所述第一优化目标涉及：使约束条件成立的情况下，能量信号载波个数最小和能量信号的功率最小，所述第一约束条件集涉及：

-接收机所采集功率大于等于接收机在一个单位时间内工作所需的最低功率；

-子载波上的能量信号功率之和小于等于能量信号的总功率；

-每个子载波频段上的平均功率谱密度小于等于一个既定的参数值。

上述进一步技术方案的有益效果是：以无线能量传输为基础进行无线信息传输，能够保证接收机所采集功率达到相应工作模式所需的最低功率，保障接收机正常工作，大大增强了系统的稳定性和可靠性。另外，由于接收机电路做信号处理消耗的功率可能会大于信息信号本身的能量。本专利方案中能量信号的功率可能会大于甚至远大于信息信号的功率，因此上述进一步技术方案可以大大提高能量的利用率，减少能量的浪费，更加绿色。

进一步，所述第一优化参数集包括以下参数中的一个或多个：

-接收机工作所需最低功率；

-每个子载波上的信道带宽；

-每个子载波上的平均功率谱密度；

-信道参数向量。

进一步，所述第一预分配参数包括以下参数中的一个或多个：

-能量信号子载波分配集；

-能量信号功率分配集；

-能量信号总功率。

进一步，所述发射端为多载波发射机，所述第二基带信号为信息基带信号；所述第二优化目标涉及：使第二约束条件集成立的情况下，信息传输速率最大化；所述第二约束条件集涉及：子载波上的信息信号功率之和小于等于信息信号的总功率。

上述进一步技术方案的有益效果是：通过优化，使功率进一步得到合理分配，通信速率第一步提高，系统的性能进一步提升。

进一步的，所述第二优化参数集包括以下参数中的一个或多个：

-信息信号子载波集；

-信息信号子载波数；

-信道参数向量。

进一步的，所述第二预分配参数集包括以下参数中的一个或多个：

-信息信号功率分配集；

-信息信号子载波分配集。

进一步的，将所述能量信号进行频谱扩展再调制到预分配的载波频段。

本发明还公开了一种信息能量同传接收方法，应用于接收端设备，所述方法包括：

接收端接收发送端发送的射频信号，

将射频信号分离并还原为原始的基带信号，

所述原始的基带信号中包含信息基带信号和能量基带信号；

将能量基带信号进行整流转换为直流电信号存储到储能单元中。

本发明的有益效果是：采用本发明所述信息能量同传发送方法，在向接收端发送信息信号的同时发送独立的能量信号，能够为接收机提供足够能量，另外，通过优化算法对信息信号和能量信号进行优化，既能提高能量传输效率又能提高信息传输速率。另外，本发明所述方法尤其适用于以下领域：

植入人体的现代或未来医疗器件，例如心脏起搏器、人工心脏、心血管机器人、晶体眼、电子耳蜗、电子跟腱、电子假肢等等，通过本专利所述方法，可以对其进行信息和能量的同时传输和接收，那么，既能为其馈电保障医疗器件的正常运转，为需要这些医疗器件的人们保障正常生活，而且可以通过移动网络实时反馈病理和人体机理数据，通过建模预测，防止意外的发生。同时，这些大量的数据可以分享给医疗科学的专家进行数据分析，大大促进医疗水平的发展。

无线设备，例如：无线低功耗的传感器网络，可以无需电池进行馈电，尤其对于布置在复杂环境中的无线传感器节点，例如森林、沙漠、海洋、核电站、石油化工厂等，利用无线的方式进行馈电和反馈数据。

利用本发明所述方法可以打造智能家居环境，随时随地为手机等移动终端馈电，保障用户的正常通话；为传感器馈电，随时随地了解屋内外的温度、湿度等参数，可以利用中央控制系统对家居进行智能调控，可以节省能源，绿色环保。

本发明可以大大降低无线设备的电池使用量和生产量，大大减少了电池制造、使用和回收过程中造成的环境污染，是一个非常有益于提升国家绿色经济的技术。

附图说明

图1为本发明一种信息能量同传发送方法流程示意图；

图2为本发明一种信息能量同传接收方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明一种信息能量同传发送方法流程示意图，如图1所示，本发明提供了一种信息能量同传发送方法，应用于发射端设备，所述方法包括：发射端基于第一优化参数集，根据第一优化目标和第一约束条件集来确定第一基带信号的第一预分配参数集；发射端基于第一优化结果和第二优化参数集，根据第二优化目标和第二约束条件集来确定第二基带信号的第二预分配参数集；根据第一预分配参数集和第二预分配参数集，将基带信号中的第一基带信号和第二基带信号处理成相应的射频信号通过天线进行发送；所述第一基带信号、第二基带信号为基带信号中的信息基带信号、能量基带信号二者之一，所述第一基带信号不同于第二基带信号。

下面以一具体实施例对优化过程进行具体的说明。

在本实施例中，发射端为多载波发射机，第一基带信号为能量基带信号，第二基带信号为信息基带信号，本实施例将能量基带信号作为第一基带信号，将信息基带信号作为第二基带信号，在对能量基带信号进行优化的基础上，再对信息基带信号进行优化，能够保证接收机所采集功率达到相应工作模式所需的最低功率，保障接收机正常工作，大大增强了系统的稳定性和可靠性；通过对信息基带信号的优化，使功率进一步得到合理分配，通信速率第一步提高，系统的性能进一步提升。

假设发射端基带信号总功率为P,分配于信息基带信号的总功率和能量基带信号的总功率分别为P_I和P_E，则P_I+P_E＝P；信号总载波集为Sc，Sc＝Sc_E∪Sc_I，其中，Sc_E为能量信号子载波集，Sc_I为信息信号子载波集；接收端采集到的能量为Q，即有Q＝βP_E，β是能量效率系数；信道参数向量h，其中，h＝[h₁,h₂……h_N]^T；总载波数为N，分配于信息信号的载波数和能量信号的载波数分别为N_I和N_E，则N＝N_I+N_E。信息基带信号到信息符号和能量基带信号的能量符号分别为S_I(n)和S_E(n)，n＝1，2,...,m；m≤N；其中：

$S_I\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}{S}_{I1}\\ ...\\ S_{\mathrm{Im}}\end{array}\right],S_E\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}{S}_{E1}\\ ...\\ S_{\mathrm{Em}}\end{array}\right]$

S_I1～S_Im分别为信息基带信号中的第1至第m个的信息符号，S_E1～S_Em分别为能量基带信号中的第1至第m个的能量符号,用E[S² _I(n)]和E[S² _E(n)]分别表示信息信号和能量信号的能量。因此，接收端采集到的功率Q可用下述关系式表示:

Q＝<h,E[S² _E(n)]>，i＝1…N_E，即

$Q=h_1*E\left[{S^2}_E\left(1\right)\right]+h_2*E\left[{S^2}_E\left(2\right)\right]+......+h_{N_E}*E\left[{S^2}_E\left(h_{N_E}\right)\right];$

能量信号的功率P_E可用下述关系式表示:

$P_E=\underset{n=1}{\overset{N_E}{\mathrm{\&Sigma;}}}E\left[{S^2}_E\left(n\right)\right];$

可根据接收端工作所需的最少功率和信道反馈信息，对信息基带信号和能量基带信号的功率、载波和频谱进行分配优化。接收端工作所需的最低功率应当理解为所述接收端多种工作模式所需的最低功率，例如：当接收端处于非充电模式时，接收端工作所需最低功率可以是接收端电路运行所需最低功率；当接收端处于充电模式时，接收端工作所需最低功率可以是接收端电路运行所需最低功率和充电所需功率之和。

可根据接收端运作所需的最少能量和信道反馈信息，对信息基带信号和能量基带信号的功率、载波和频谱进行分配优化。

在本具体实施例中，第一优化目标包括：使第一约束条件集成立的情况下，能量信号载波个数N_E最小和能量信号的总功率P_E最小；

第一约束条件集涉及：C1，接收端所采集功率Q大于等于接收端工作所需的最低功率P_min，即Q≥P_min；C2，发射端子载波上的能量信号总功率小于等于基带信号中能量信号的总功率；C3，每个子载波频段上的平均功率谱密度小于等于一个既定的参数值A,即满足E[S² _E(n)]/B≤A，其中，B为每个子载波上的信道带宽；

所述第一优化参数集包括以下参数中的一个或多个：能量信号子载波集Sc_E、接收端工作所需最低功率P_min、每个子载波上的信道带宽B、每个子载波上的平均功率谱密度A和信道参数向量h。

所述第一预分配参数集包括以下参数中的一个或多个：能量信号子载波分配集、能量信号功率分配集和能量信号总功率P_E。

在本具体实施例中，第二优化目标涉及：使第二约束条件集成立的情况下，信息传输速率R最大化；第二约束条件集涉及：子载波上的信息信号功率之和小于等于基带信号中的信息信号的总功率。

第二优化参数集包括以下参数中的一个或多个：信息信号子载波集Sc_I、信息信号子载波数N_I和信道参数向量h，其中，h＝[h₁,h₂……h_N]^T。

所述第二预分配参数集包括以下参数中的一个或多个：信息信号功率分配集和信息信号子载波分配集。

综上所述，对下列优化问题求解可得出系统预分配参数集。

根据下列第一优化目标和第一约束条件集即可得出第一预分配参数集。

min_{h,Sc_E,P_min,B,A}P_E,N_E；其中，{}中的元素所表示为第一优化参数；

s.t.(下述为第一约束条件)

Q＝<h,E[S² _E(n)]>,Q≥P_min；

$\underset{n=1}{\overset{N_E}{\mathrm{\&Sigma;}}}E\left[{S^2}_E\left(n\right)\right]\&le;P_E;$

E[S² _E(n)]/B≤A,n＝1,2,...,N_E。

根据下列第二优化目标和第二约束条件集即可得出第二预分配参数集。

max_{h,Sc_E ^*,Sc_I}R；其中，Sc_E ^*为最优能量信号子载波分配集；

s.t.(下述为第二约束条件)

$\underset{n=1}{\overset{N_I}{\mathrm{\&Sigma;}}}E\left[{S^2}_I\left(n\right)\right]\&le;P_I.$

上述优化问题求解步骤举例如下：

S1.初始化N_E＝1，子载波集合Sc_E＝Ф(Ф为空集)；

S2.先找到一个能量信号子载波分配集Sc_E＝{Sc_i},i＝1,2,…,N_E，对应的能量信道参数向量为h _E＝{h_i},i＝1,2,…,N_E，并可通过优化算法(例如注水算法)使得在第一约束条件集成立的情况下，接收端所采集到的功率最大化。具体的，算法如下：

子步骤S21：

Find Sc_E＝{Sc_i}，i＝1…N_E；

s.t.

max Q，Q≥P_min；

$\underset{n=1}{\overset{N_E}{\mathrm{\&Sigma;}}}E\left[{S^2}_E\left(n\right)\right]\&le;P_E;$

E[S² _E(n)]/B≤A,n＝1,2,...,N_E。

子步骤S22：通过S21可以找到多个集合，选择最优能量信号子载波集Sc_E ^*＝argmin P_E，其中，argmin P_E表示使P_E取得最小值时的参数情况；同时确定最优能量信号功率分配集{E^*[S² _E(n)]}和接收端最优采集功率Q^*＝<h,E ^*[S² _E(n)]>，n＝1,2，…，N_E。

S3.若步骤S2没有解，则令N_E＝N_E+1，并令Sc_E＝Ф，重新循环步骤S和S3。

S4.若步骤S2有解，则Sc_E ^*确定，N_E确定,P_E确定。

S5.当最优能量信号子载波集Sc_E ^*确定，那么相应的信息信号子载波集Sc_I也得到了，Sc_I＝{Sc_i}；信息信号子载波数N_I＝N-N_E；对应信息信道参数向量h _I＝{h_i}；其中，i＝1,2，…，N_I。

优化系统信息传输速率问题，求解过程如下：

max_{h,Sc_E ^*,Sc_I}R

s.t.

$\underset{n=1}{\overset{N_I}{\mathrm{\&Sigma;}}}E\left[{S^2}_I\left(n\right)\right]\&le;P_I.$

可求解确定最优信息信号功率分配集{E^*[S² _I(n)]}和最优信息信号子载波集Sc_I ^*,最终得到最优信息传输速率R^*＝argmax R，其中，n＝1,2，…，N_I。

其中，R^*＝argmax R具体表达式为：

$R^{*}=B\underset{n=1}{\overset{N_I}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+\frac{E^{*}\left[{S^2}_I\left(n\right)\right]}{N_{0}B})$

其中，n＝1,2，…，N_I，N₀为噪声功率密度参数。

经上述优化得到第一预分配参数集和第二预分配参数集。

发射机根据第一预分配参数集和第二预分配参数集，将基带信号中的第一基带信号和第二基带信号处理成相应的射频信号通过天线进行发送。

在本具体实施例中，发射机根据第一预分配参数集中的能量信号子载波分配集、能量信号功率分配集和能量信号总功率P_E将能量基带信号处理成相应的射频信号，根据第二预分配参数中的信息信号功率分配集和信息信号子载波分配集将信息基带信号处理成相应的射频信号，将上述射频信号通过天线进行发送。

图2为本发明一种信息能量同传接收方法流程示意图，如图2所示，本发明还公开了一种信息能量同传接收方法，应用于接收端设备，所述方法包括：

接收端接收发送端发送的射频信号；

将射频信号分离并还原为原始的基带信号；

所述原始的基带信号中包含信息基带信号和能量基带信号；

将能量基带信号进行整流转换为直流电信号存储到储能单元中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种信息能量同传发送方法，应用于发射端设备，所述方法包括： 

发射端基于第一优化参数集，根据第一优化目标和第一约束条件集来确定第一基带信号的第一预分配参数集；

发射端基于第一优化结果和第二优化参数集，根据第二优化目标和第二约束条件集来确定第二基带信号的第二预分配参数集；

根据第一预分配参数集和第二预分配参数集，将基带信号中的第一基带信号和第二基带信号处理成相应的射频信号通过天线进行发送；

所述第一基带信号、第二基带信号为基带信号中的信息基带信号、能量基带信号二者之一，所述第一基带信号不同于第二基带信号。

2.根据权利要求1所述一种信息能量同传发送方法，其特征在于：所述发射端为多载波发射机，所述第一基带信号为能量基带信号，所述第一优化目标涉及：使约束条件成立的情况下，能量信号载波个数最小和能量信号的功率最小，所述第一约束条件集涉及：

-接收机所采集功率大于等于接收机在一个单位时间内工作所需的最低功率；

-子载波上的能量信号功率之和小于等于能量信号的总功率；

-每个子载波频段上的平均功率谱密度小于等于一个既定的参数值。

3.根据权利要求2所述一种信息能量同传发送方法，其特征在于：所述第一优化参数集包括以下参数中的一个或多个：

-接收机工作所需最低功率；

-每个子载波上的信道带宽；

-每个子载波上的平均功率谱密度；

-信道参数向量。

4.根据权利要求2或3所述一种信息能量同传发送方法，其特征在于：所述第一预分配参数包括以下参数中的一个或多个：

-能量信号子载波分配集；

-能量信号功率分配集；

-能量信号总功率。

5.根据权利要求1或2所述一种信息能量同传发送方法，其特征在于：所述发射端为多载波发射机，所述第二基带信号为信息基带信号；所述第二优化目标涉及：使第二约束条件集成立的情况下，信息传输速率最大化；所述第二约束条件集涉及：子载波上的信息信号功率之和小于等于信息信号的总功率。

6.根据权利要求5所述一种信息能量同传发送方法，其特征在于：所述第二优化参数集包括以下参数中的一个或多个：

-信息信号子载波集；

-信息信号子载波数；

-信道参数向量。

7.根据权利要求6所述一种信息能量同传发送方法，其特征在于：所述第二预分配参数集包括以下参数中的一个或多个：

-信息信号功率分配集；

-信息信号子载波分配集。

8.根据权利要求2或3所述一种信息能量同传发送方法，其特征在于：将所述能量信号进行频谱扩展再调制到预分配的载波频段。

9.一种信息能量同传接收方法，应用于接收端设备，所述方法包括：

接收端接收发送端发送的射频信号;

将射频信号分离并还原为原始的基带信号;

所述原始的基带信号中包含信息基带信号和能量基带信号；

将能量基带信号进行整流转换为直流电信号存储到储能单元中。