CN106254051B - 控制方法及控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制方法，用于控制无线信能同传网络，无线信能同传网络用于在多个信道传输信号及能量。控制方法包括以下步骤：根据接收端的需求将部分信道分配给接收端以使每个接收端接收到的能量大于活动接收端的当前工作模式的最低功率；将剩余的信道均匀分配给每个接收端；及对信道资源进行优化以使接收端之间的通信速率的差异达到最小。此外，本发明还公开了一种控制装置。本发明实施方式的控制方法及控制装置通过对接收端的信道和功率的最优分配，达到资源公平分配的目的，同时使网络信能最优化。

Description

控制方法及控制装置
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，特别涉及一种控制方法及控制装置。
背景技术
无线信能同传，即通过无线方式实现信息和能量的同时并行传输，是集成无线通信技术和无线能量传输技术的新兴信息技术。随着现代科技的发展，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资源的压力，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，同时降低线路老化引起的火灾隐患。基于稳定性和可持续性的特点，可替代传统能量采集器以采集环境能量(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。本发明人在之前专利用保护了一种信息与能量同传传送方法(参考：201510133784.X和201510133428.8)，提出了多载波宽带的方法为接收机同时提供信息传递与能量传输，但该技术并不能应用于多接收端解决网络资源不公平的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种无线信能同传的资源公平分配方法及其优化方法。
本发明实施方式的控制方法，用于控制无线信能同传网络，所述无线信能同传网络用于在多个信道传输信号及能量，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
根据接收端的需求将部分所述信道分配给所述接收端以使每个所述接收端接收到的能量大于所述接收端的当前工作模式的最低功率；
将剩余的所述信道均匀分配给每个所述接收端；及
对信道资源进行优化以使所述接收端之间的通信速率的差异达到最小。
在某些实施方式中，所述当前工作模式包括充电模式和信号传输模式。
在某些实施方式中，每个所述接收端采集的功率大于等于所述接收端当前工作模式的最低功率。
在某些实施方式中，每个所述信道的功率谱密度小于等于功率谱密度限制参数。
在某些实施方式中，所有的所述信道的总功率小于等于发射端总功率限制参数。
在某些实施方式中，每个所述接收端的通信速率大于等于预定阈值。
在某些实施方式中，所述控制方法包括步骤：
将信道分配和功率分配的问题转化为优化均等通信速率的问题；
求解最优的均等通信速率；及
根据所述最优的均等通信速率计算最优的所述接收端的信道分配和功率分配的方式。
本发明实施方式的控制装置，用于控制无线信能同传网络，所述无线信能同传网络用于在多个信道传输信号及能量，其特征在于，所述控制装置包括：
第一分配模块，所述第一分配模块用于根据接收端的需求将部分所述信道分配给所述接收端以使每个所述接收端接收到的能量大于所述接收端的当前工作模式的最低功率；
第二分配模块，所述第二分配模块用于将剩余的所述信道均匀分配给每个所述接收端；及
资源优化模块，所述资源优化模块用于对信道资源进行优化以使所述接收端之间的通信速率的差异达到最小。
在某些实施方式中，所述当前工作模式包括充电模式和信号传输模式。
在某些实施方式中，每个所述接收端采集的功率大于等于所述接收端当前工作模式的最低功率。
在某些实施方式中，每个所述信道的功率谱密度小于等于功率谱密度限制参数。
在某些实施方式中，所有的所述信道的总功率小于等于发射端总功率限制参数。
在某些实施方式中，每个所述接收端的通信速率大于等于预定阈值。
在某些实施方式中，所述控制装置包括：
转化模块，所述转化模块用于将信道分配和功率分配的问题转化为优化均等通信速率的问题；
求解模块，所述求解模块用于求解最优的均等通信速率；及
第三分配模块，所述第三分配模块用于根据所述最优的均等通信速率计算最优的所述接收端的信道分配和功率分配的方式。
本发明实施方式的控制方法及控制装置通过对接收端的信道和功率的最优分配，达到资源公平分配的目的，同时使网络信能最优化。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点可以从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施方式的控制方法的流程示意图。
图2是本发明实施方式的控制装置的功能模块示意图。
图3是本发明实施方式的控制方法的另一流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，本发明实施方式的控制方法，用于控制无线信能同传网络，无线信能同传网络用于在多个信道传输信号及能量，控制方法包括以下步骤：
步骤S01，步骤S01根据接收端的需求将部分信道分配给接收端以使每个接收端接收到的能量大于活动接收端的当前工作模式的最低功率；
步骤S02，步骤S02将剩余的信道均匀分配给每个接收端；及
步骤S03，步骤S03对信道资源进行优化以使所述接收端之间的通信速率的差异达到最小。
请参阅图2，本发明实施方式的控制装置10，用于控制无线信能同传网络，无线信能同传网络用于在多个信道传输信号及能量，控制装置10包括第一分配模块11和第二分配模块12和资源优化模块13。
本发明实施方式的控制方法可以由本发明实施方式的控制装置10实现，例如步骤S01可由第一分配模块12实现，步骤S02可由第二分配模块14实现，步骤S03可由资源优化模块15实现。
也即是说，第一分配模块11可以用于根据接收端的需求将部分信道分配给接收端以使每个接收端接收到的能量大于活动接收端的当前工作模式的最低功率。第二分配模块12可以用于将剩余的信道均匀分配给每个接收端。资源优化模块13可以用于对信道资源进行优化以使接收端之间的通信速率的差异达到最小。
本发明实施方式的控制方法及控制装置10通过对信道和功率的最优分配，使得各接收端的获得的通信信能的差别达到最小，在保证网络总速率最大化的情况下，使得每个接收端的通信速率相互接近。多接收端的无线信能同传网络会遭到严重的双重远近效应问题。双重远近效应问题即，距离接入点较近的接收端占有绝大部分资源，距离接入点较远的接收端只能采集到较小的能量却需要较大的能量用于上传数据，造成了距离接入点较远的接收端获得的网络性能远逊于距离接入点较近的接收端，甚至出现网络资源完全被剥夺的情况。本发明实施方式的控制方法及控制装置10可以用于解决多接收端条件下无线信能同传网络接收端获得网络性能不均的问题，解决严重的双重远近效应问题。
在某些实施方式中，当前工作模式包括充电模式和信号传输模式。
接收端工作所需的最低功率为接收端多种工作模式所需的最低功率。例如，当接收端处于信号传输模式时，接收端工作所需最低功率为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为接收端电路运行所需最低功率和充电所需功率之和。如此，可根据接收端不同的工作模式进行功率的分配，从而提高资源的利用率。
在本发明实施方式的控制方法中，R为通信速率，i为接收端的个数，n为信道的个数，Qi为第i个接收端采集的功率，为第i个接收端用于传递能量的信道数量，为接收端工作所需最低功率，di为接收端与接入点之间的距离，为接收端与接入点之间信道的参数。为波束成形参数，Ps为功率谱密度限制参数，Pt为发射总功率限制参数，Ri为第i个接收端获得的通信速率，为接收端可以获得的最低通信速率。
在某些实施方式中，每个接收端采集的功率大于等于接收端当前工作模式的最低功率。即满足条件式：
在某些实施方式中，每个信道的功率谱密度小于等于功率谱密度限制参数。即满足条件式：
在某些实施方式中，所有的信道的总功率小于等于发射端总功率限制参数。即满足条件式：
在某些实施方式中，每个接收端的通信速率大于等于预定阈值。即满足条件式：
其中，
NI为分配给接收端用于传递信息的信道数量，σ2方为平均信道噪声功率。
满足上面的各条件式通过对每个接收端采集的功率、每个信道的功率谱密度、所有的信道的总功率及每个接收端的通信速率的限制，从而满足接收端的工作需求，在保证网络总速率最大化的情况下，使得每个接收端的通信速率相互接近。
即获得最大的网络总速率：
同时使各接收端的通信速率R相互接近。
请参阅图3，在某些实施方式中，控制方法包括步骤：
步骤S04，步骤S04将信道分配和功率分配的问题转化为优化均等通信速率的问题；
步骤S05，步骤S05求解最优的均等通信速率；及
步骤S06，步骤S06根据最优的均等通信速率计算最优的接收端的信道分配和功率分配的方式。
在某些实施方式中，控制装置10包括转化模块14、求解模块15及第三分配模块16。步骤S04可由转化模块14实现，步骤S05可由求解模块15实现，步骤S06可由第三分配模块16实现。
也即是说，转化模块14可以用于将信道分配和功率分配的问题转化为优化均等通信速率的问题。求解模块15可以用于求解最优的均等通信速率。第三分配模块16可以用于根据最优的均等通信速率计算最优的接收端的信道分配和功率分配的方式。
基于上述方法思想，具体的步骤举例如下：
步骤1：将问题转换为优化均等通信速率的问题，
即，保证每个接收端所获得的通信性能相同，同时，使这个通信性能最大化。
步骤2：利用拉格朗日算法，下面是待求的拉格朗日方程
其中，λ，μ为拉格朗日算子，PI为接收端信息传输的功率。
步骤3：通过步骤2，求解满足该方程的条件：f(λ)＝g(μ)
步骤4：利用迭代算法，收敛出最优的均等通信速率*代表最优。
该算法可以是：
步骤4.1：初始化Rmin＝0，Rmax>R*
步骤4.2：重复
步骤4.2.1：
步骤4.2.2：初始化
步骤4.2.3：给定用式f(λ)＝g(μ)解步骤1问题。
步骤4.2.4：计算LWSR的最小值。
步骤4.2.5：若LWSR的最小值大于0，是不可行的，设置返回步骤1。
反之，用椭圆算法更新拉格朗日算子。如果未达到椭圆算法的停止条件，则返回步骤4.2.3。
步骤4.2.6：设置
直到Rmax-Rmin<，其中，δ>0为误差最大限度。
步骤5：通过最优的计算最优的接收端信道分配、功率分配，达到资源公平分配的目的，同时使网络性能已最优化。
本发明实施方式的控制方法尤其适用于以下领域：无线信息与能量传输局域网，对小范围的无线设备提供高速通信与无线充电服务。另外，适用于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。通过本发明实施方式的控制方法，可以对上述医疗器件进行信息和能量的同时传输和接收，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。
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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的实施方式和简化描述，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实施方式的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的实施方式的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的实施方式的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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。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的实施方式中的具体含义。
在本发明的实施方式中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的实施方式的不同结构。为了简化本发明的实施方式的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明的实施方式可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明的实施方式提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理模块的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的实施方式的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明的各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施实施进行变化、修改、替换和变型。

Claims (14)

1.一种控制方法，用于控制无线信能同传网络，所述无线信能同传网络用于在多个信道传输信号及能量，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
根据接收端的需求将部分所述信道分配给所述接收端以使每个所述接收端接收到的能量大于所述接收端的当前工作模式的最低功率；
将剩余的所述信道均匀分配给每个所述接收端；及
对信道资源进行优化以使所述接收端之间的通信速率的差异达到最小。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述当前工作模式包括充电模式和信号传输模式。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，每个所述接收端采集的功率大于等于所述接收端当前工作模式的最低功率。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，每个所述信道的功率谱密度小于等于功率谱密度限制参数。
5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所有的所述信道的总功率小于等于发射端总功率限制参数。
6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，每个所述接收端的通信速率大于等于预定阈值。
7.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括步骤：
将信道分配和功率分配的问题转化为优化均等通信速率的问题；
利用拉格朗日算法、拉格朗日算子、所述接收端信息传输的功率、迭代算法、以及椭圆算法求解最优的均等通信速率；及根据所述最优的均等通信速率计算最优的所述接收端的信道分配和功率分配的方式。
8.一种控制装置，用于控制无线信能同传网络，所述无线信能同传网络用于在多个信道传输信号及能量，其特征在于，所述控制装置包括：
第一分配模块，所述第一分配模块用于根据接收端的需求将部分所述信道分配给所述接收端以使每个所述接收端接收到的能量大于所述接收端的当前工作模式的最低功率；
第二分配模块，所述第二分配模块用于将剩余的所述信道均匀分配给每个所述接收端；及
资源优化模块，所述资源优化模块用于对信道资源进行优化以使所述接收端之间的通信速率的差异达到最小。
9.如权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述当前工作模式包括充电模式和信号传输模式。
10.如权利要求8所述的控制装置，其特征在于，每个所述接收端采集的功率大于等于所述接收端当前工作模式的最低功率。
11.如权利要求8所述的控制装置，其特征在于，每个所述信道的功率谱密度小于等于功率谱密度限制参数。
12.如权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所有的所述信道的总功率小于等于发射端总功率限制参数。
13.如权利要求8所述的控制装置，其特征在于，每个所述接收端的通信速率大于等于预定阈值。
14.如权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：
转化模块，所述转化模块用于将信道分配和功率分配的问题转化为优化均等通信速率的问题；
求解模块，所述求解模块用于求解最优的均等通信速率；及
第三分配模块，所述第三分配模块用于根据所述最优的均等通信速率计算最优的所述接收端的信道分配和功率分配的方式。
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Application publication date: 20161221

Assignee: Shenzhen Nankeyuan Creative Technology Co.,Ltd.

Assignor: SOUTH University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA

Contract record no.: X2021990000411

Denomination of invention: Control method and control device

Granted publication date: 20190423

License type: Exclusive License

Record date: 20210709

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