CN107017923B - 一种基于无线输能的非正交多址接入通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线输能的非正交多址接入通信系统，该通信系统包括一个多天线的能量基站，多个传感器节点和一个信息接收机，其中：能量基站，用于基于能量波束成型技术向各个传感器节点传输能量；任意一个传感器节点，用于利用接收到的能量将采集到的信息以非正交多址接入方式发送给信息接收机；信息接收机，用于接收并解码各个传感器节点采集到的信息。应用本发明实施例所提供的通信系统，对能量基站分配给各个传感器节点的能量进行了优化，可以合理分配能量，提高了传感器节点到信息接收机的可达速率，降低了问题的复杂度，提高了整个通信系统的性能。

Description

一种基于无线输能的非正交多址接入通信系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于无线输能的非正交多址接入通信系统。

背景技术

在无线传感器网络中，无线传感器节点数量较多。电池寿命是无线传感器节点能否正常工作的重要影响因素。在无线传感器节点数量较多的情况下，如果进行电池更换或者再充电是非常繁琐的，成本较高。

目前，无线能量传输技术可以解决电池寿命问题。无线能量传输技术利用了电磁波的远场辐射特性。无线传感器节点可以接收从能量基站发射的射频信号，能量基站的能量来源于各种可再生能源，如太阳能、风力、水力等。

在无线输能的通信系统中，如何分配能量基站的能量给各个传感器节点是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线输能的非正交多址接入通信系统，以对能量基站分配给各个传感器节点的能量进行优化，进行合理分配，提高传感器节点到信息接收机的可达速率，降低问题的复杂度，提高整个通信系统的性能。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于无线输能的非正交多址接入通信系统，包括一个多天线的能量基站，多个传感器节点和一个信息接收机，其中：

所述能量基站，用于基于能量波束成型技术向各个传感器节点传输能量；

任意一个传感器节点，用于利用接收到的能量将采集到的信息以非正交多址接入方式发送给所述信息接收机；

所述信息接收机，用于接收并解码各个传感器节点采集到的信息。

在本发明的一种具体实施方式中，所述能量基站在每个运行周期的第一时间段向各个传感器节点传输能量，各个传感器节点在每个运行周期的第二时间段利用接收到的能量将采集到的信息同时同频发送给所述信息接收机。

在本发明的一种具体实施方式中，所述第一时间段为(1-τ)T，所述第二时间段为τT，其中，T为运行周期，τ为时间分配系数。

在本发明的一种具体实施方式中，通过以下步骤确定所述时间分配系数τ：

将预先设定的时间分配系数的第一时间范围确定为目标时间范围；

在所述目标时间范围内确定搜索步长；

根据所述搜索步长，在所述目标时间范围内获得第一值和第二值；

基于设定的吞吐量表达式函数，确定所述第一值对应的第一函数值及所述第二值对应的第二函数值；

如果所述第一函数值大于所述第二函数值，则将所述第一值确定为参考值，否则，将所述第二值确定为所述参考值；

根据所述参考值，确定误差；

如果所述误差小于预设的误差阈值，则将所述参考值确定为最优的所述时间分配系数τ；

否则，调整所述第一时间范围，将调整后的所述第一时间范围确定为所述目标时间范围，重复执行所述在所述目标时间范围内确定搜索步长的步骤。

在本发明的一种具体实施方式中，所述信息接收机具体用于：

将接收到的所有传感器节点采集到的信息的集合确定为目标信息集合；

在所述目标信息集合中确定目标传感器节点的信息；

将所述目标信息集合中除所述目标传感器节点的信息外的其他信息确定为干扰信息，解码所述目标传感器节点的信息；

在所述目标信息集合中去除所述目标传感器节点的信息，将剩下的信息的集合确定为目标信息集合，重复执行所述在所述目标信息集合中确定目标传感器节点的信息的步骤，直至所述目标信息集合为空。

在本发明的一种具体实施方式中，所述能量基站具体用于：

获取所述能量基站到每个传感器节点的第一信道状态信息和每个传感器节点到所述信息接收机的第二信道状态信息；

根据所述第一信道状态信息和所述第二信道状态信息，构建状态矩阵；

将所述状态矩阵进行奇异值分解，获得酉矩阵和对角矩阵；

提取所述酉矩阵中与所述对角矩阵中最大的奇异值对应的列向量；

根据提取到的列向量和所述能量基站的最大发射功率，确定最优的能量波束成型向量；

根据所述能量波束成型向量，确定向各个传感器节点传输的能量大小。

在本发明的一种具体实施方式中，所述状态矩阵G为：

其中，g_k为所述能量基站到第k个传感器节点的第一信道状态信息，

h_k为第k个传感器节点到所述信息接收机的第二信道状态信息，N₀为所述信息接收机接收到的噪声功率。

在本发明的一种具体实施方式中，所述能量波束成型向量w^*为：

其中，P_max为所述能量基站的最大发射功率，v₁为所述酉矩阵中与所述对角矩阵中最大的奇异值对应的列向量。

应用本发明实施例所提供的技术方案，多天线的能量基站可以基于能量波束成型技术向各个传感器节点传输能量，任意一个传感器节点可以利用接收到的能量将采集到的信息以非正交多址接入方式发送给信息接收机，信息接收机接收并解码各个传感器节点采集到的信息。对能量基站分配给各个传感器节点的能量进行了优化，可以合理分配能量，提高了传感器节点到信息接收机的可达速率，降低了问题的复杂度，提高了整个通信系统的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于无线输能的非正交多址接入通信系统的一种结构示意图；

图2为本发明实施例中基于无线输能的非正交多址接入通信系统的另一种结构示意图；

图3为本发明实施例中信息接收机解码信息示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，为本发明实施例所提供的一种基于无线输能的非正交多址接入通信系统的结构示意图，该通信系统包括一个多天线的能量基站110，多个传感器节点和一个信息接收机120，其中：

能量基站110，用于基于能量波束成型技术向各个传感器节点传输能量；

任意一个传感器节点，用于利用接收到的能量将采集到的信息以非正交多址接入方式发送给信息接收机120；

信息接收机120，用于接收并解码各个传感器节点采集到的信息。

在本发明实施例中，如图2所示，能量基站110为多天线，其基于能量波束成型技术可以确定分配给各个传感器节点的能量大小，从而基于确定的能量大小向各个传感器节点传输能量。K个传感器节点中的任意一个传感器节点可以利用接收到的能量进行信息采集，并将采集到的信息以非正交多址接入方式发送给信息接收机120。信息接收机120接收各个传感器节点采集到的信息，并对接收到的各信息进行解码处理。

传感器节点和信息接收机120可以为单天线还可以为多天线，如果传感器节点或信息接收机120为多天线，则在实际应用中，传感器节点或信息接收机120可以根据各天线性能，启用性能最佳的天线进行信息的收发。

在本发明的一种具体实施方式中，能量基站110在每个运行周期的第一时间段向各个传感器节点传输能量，各个传感器节点在每个运行周期的第二时间段利用接收到的能量将采集到的信息同时同频发送给信息接收机120。

本发明实施例所提供的基于无线输能的非正交多址接入通信系统可以按照设定的运行周期工作。在每个运行周期内，能量基站110向各个传感器节点传输能量，各个传感器节点利用接收到的能量将采集到的信息发送给信息接收机120。具体的，每个运行周期都可以分为两个时间段，在第一时间段内，能量基站110向各个传感器节点传输能量，在第二时间段内，各个传感器节点利用接收到的能量将采集到的信息同时同频发送给信息接收机120。

如图2所示，第一时间段可以为(1-τ)T，第二时间段可以为τT，其中，T为运行周期，τ为时间分配系数。

在本发明的一种具体实施方式中，可以通过以下步骤确定时间分配系数τ：

步骤一：将预先设定的时间分配系数的第一时间范围确定为目标时间范围；

步骤二：在目标时间范围内确定搜索步长；

步骤三：根据搜索步长，在目标时间范围内获得第一值和第二值；

步骤四：基于设定的吞吐量表达式函数，确定第一值对应的第一函数值及第二值对应的第二函数值；

步骤五：如果第一函数值大于第二函数值，则将第一值确定为参考值，否则，将第二值确定为参考值；

步骤六：根据参考值，确定误差；

步骤七：如果误差小于预设的误差阈值，则将参考值确定为最优的时间分配系数τ；否则，调整第一时间范围，将调整后的第一时间范围确定为目标时间范围，重复执行步骤二至步骤七的操作。

为便于描述，将上述七个步骤结合起来进行说明。

在本发明实施例中，可以预先设定时间分配系数的第一时间范围，第一时间范围的下限即为时间分配系数的下限，第一时间范围的上限即为时间分配系数的上限，如设定上限为1，下限为0。

将第一时间范围确定为目标时间范围，在目标时间范围内确定搜索步长。根据搜索步长，在目标时间范围内获得第一值和第二值。

预设吞吐量表达式函数为：

其中，P_max为能量基站的最大发射功率，λ₁为矩阵GG^H对应的最大特征向量，G为状态矩阵。

将第一值代入到上述吞吐量表达式函数中，可以计算得到第一函数值，将第二值代入到上述吞吐量表达式函数中，可以计算得到第二函数值。

即基于设定的吞吐量表达式函数，可以确定第一值对应的第一函数值及第二值对应的第二函数值。

比较第一函数值和第二函数值的大小。如果第一函数值大于第二函数值，则可以将第一值确定为参考值，否则将第二值确定为参考值。

根据参考值，可以进一步确定误差，具体的，可以通过“误差＝搜索步长/参考值”计算误差。如果误差小于预设的误差阈值，则可以将当前的参考值确定为最优的时间分配系数τ，否则，可以调整第一时间范围，并将调整后的第一时间范围确定为目标时间范围，重复执行在目标时间范围内确定搜索步长及以下步骤的操作，直至得到最优的时间分配系数。

需要说明的是，误差阈值可以根据实际情况进行设定和调整，如设置为0.01，本发明实施例对此不做限制。

本发明实施例通过一种复杂度较低的算法进行能量和信息传输的时间分配，提高了整个系统的吞吐量。

在本发明的一种具体实施方式中，各个传感器节点在每个运行周期的第二时间段可以利用接收到的能量将采集到的信息同时同频发送给信息接收机120，即各个传感器节点采用非正交多址接入方式向信息接收机120发送采集到的信息。信息接收机120将同时接收到多个传感器节点发送的信息，信息相互之间存在同频干扰，但是可以提高频率效率，解决频谱资源紧缺问题。

鉴于此，在本发明的一种具体实施方式中，信息接收机120可以通过以下步骤对接收到的信息进行解码：

第一个步骤：将接收到的所有传感器节点采集到的信息的集合确定为目标信息集合；

第二个步骤：在目标信息集合中确定目标传感器节点的信息；

第三个步骤：将目标信息集合中除目标传感器节点的信息外的其他信息确定为干扰信息，解码目标传感器节点的信息；

第四个步骤：在目标信息集合中去除目标传感器节点的信息，将剩下的信息的集合确定为目标信息集合，重复执行在目标信息集合中确定目标传感器节点的信息的步骤，直至目标信息集合为空。

为便于描述，将上述四个步骤结合起来进行说明。

信息接收机120接收到各个传感器节点同时同频发送过来的信息后，可以将接收到的所有传感器节点采集到的信息的集合确定为目标信息集合。在目标信息集合中确定目标传感器节点的信息，目标传感器节点的信息为目标信息集合中任意一个传感器节点的信息。

将目标信息集合中除目标传感器节点的信息外的其他信息均确定为干扰信息。即相对于目标传感器节点的信息而言，目标信息集合中其他信息均为干扰信息。通过解相关器可以分离出目标传感器节点的信息，对目标传感器节点的信息进行解码，获得解码后的目标传感器节点的信息。

对目标传感器节点的信息进行解码后，在目标信息集合中去除目标传感器节点的信息，将剩下的信息的集合确定为目标信息集合。重复执行在目标信息集合中确定目标传感器节点的信息的步骤，即依次将解码后的传感器节点的信息从目标信息集合中去除，对新的目标信息集合中的信息进行解码，直至目标信息集合为空。这样可以得到解码后的每个传感器节点的信息。

如图3所示，y_k为信息接收机120接收到的各个传感器节点采集到的信息的集合，将该集合中传感器节点1的信息外的信息均确定为干扰信息，通过解相关器1分离出传感器节点1的信息，解码传感器节点1的信息，得到Stream1；从该集合中减去传感器节点1的信息，得到新的集合，将新的集合中传感器节点2的信息外的信息均确定为干扰信息，通过解相关器2分离出传感器节点2的信息，解码传感器节点2的信息，得到Stream2；……，依此类推，得到解码后的各个传感器节点的信息。

信息接收机120使用串行干扰消除技术解码接收到的信息，可以有效的提高系统的吞吐量和频谱效率，从而提高通信系统的性能。

在本发明的一种具体实施方式中，能量基站110可以具体用于：

步骤一：获取能量基站110到每个传感器节点的第一信道状态信息和每个传感器节点到信息接收机120的第二信道状态信息；

步骤二：根据第一信道状态信息和第二信道状态信息，构建状态矩阵；

步骤三：将状态矩阵进行奇异值分解，获得酉矩阵和对角矩阵；

步骤四：提取酉矩阵中与对角矩阵中最大的奇异值对应的列向量；

步骤五：根据提取到的列向量和能量基站110的最大发射功率，确定最优的能量波束成型向量；

步骤六：根据能量波束成型向量，确定向各个传感器节点传输的能量大小。

为便于描述，将上述六个步骤结合起来进行说明。

本发明实施例所提供的通信系统的通信链路可以分为两部分：一部分为能量基站110到各个传感器节点的通信链路，可以称为PU链路；另一部分为各个传感器节点到信息接收机120的通信链路，可以称为UI链路。

以传感器节点为单天线为例进行说明。

在本发明实施例中，可以通过

表示第k个传感器节点在PU链路的第一信道状态信息，也即能量基站110到第k个传感器节点的第一信道状态信息，

表示能量基站110到第k个传感器节点的距离，α为路径衰落因子，g_k ^small为能量基站到第k个传感器节点的小尺度衰落信道状态信息，k＝1,2…,K，K为传感器节点总数。

可以通过

表示第k个传感器节点在UI链路的第二信道状态信息，也即第k个传感器节点到信息接收机120的第二信道状态信息，

表示第k个传感器节点到信息接收机120的距离，α为路径衰落因子，h_k ^small为第k个传感器节点到信息接收机的小尺度衰落信道状态信息，k＝1,2…,K，K为传感器节点总数。

能量基站110获取到能量基站110到每个传感器节点的第一信道状态信息和每个传感器节点到信息接收机120的第二信道状态信息后，可以根据第一信道状态信息和第二信道状态信息，构建状态矩阵。

构建的状态矩阵可以表示为：

其中，g_k为能量基站110到第k个传感器节点的第一信道状态信息，

h_k为第k个传感器节点到信息接收机120的第二信道状态信息，N₀为信息接收机接收到的噪声功率。将状态矩阵G进行奇异值分解，可以得到：

其中，V_G为酉矩阵，Γ为对角矩阵。

确定对角矩阵中最大的奇异值，在酉矩阵中提取出与该最大的奇异值对应的列向量。

根据提取到的列向量和能量基站110的最大发射功率，可以确定最优的能量波束成型向量。

能量波束成型向量w^*为：

其中，P_max为能量基站110的最大发射功率，v₁为酉矩阵中与对角矩阵中最大的奇异值对应的列向量。

根据能量波束成型向量，可以确定向各个传感器节点传输的能量大小。具体的，可以通过

确定向各个传感器节点传输的能量大小。

这样，能量基站110分配可以给各个传感器节点分配不同的能量，即进行能量的合理分配，可以提高从传感器节点到信息接收机120的可达速率，降低了问题的复杂度，从而提高了整个通信系统的性能。

应用本发明实施例所提供的通信系统，多天线的能量基站可以基于能量波束成型技术向各个传感器节点传输能量，任意一个传感器节点可以利用接收到的能量将采集到的信息以非正交多址接入方式发送给信息接收机，信息接收机接收并解码各个传感器节点采集到的信息。对能量基站分配给各个传感器节点的能量进行了优化，可以合理分配能量，提高了传感器节点到信息接收机的可达速率，降低了问题的复杂度，提高了整个通信系统的性能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于无线输能的非正交多址接入通信系统，其特征在于，包括一个多天线的能量基站，多个传感器节点和一个信息接收机，其中：

所述能量基站，用于基于能量波束成型技术向各个传感器节点传输能量；

任意一个传感器节点，用于利用接收到的能量将采集到的信息以非正交多址接入方式发送给所述信息接收机；

所述信息接收机，用于接收并解码各个传感器节点采集到的信息；

其中，所述能量基站在每个运行周期的第一时间段向各个传感器节点传输能量，各个传感器节点在每个运行周期的第二时间段利用接收到的能量将采集到的信息同时同频发送给所述信息接收机，所述第一时间段为(1-τ)T，所述第二时间段为τT，其中，T为运行周期，τ为时间分配系数；

通过以下步骤确定所述时间分配系数τ：

将预先设定的时间分配系数的第一时间范围确定为目标时间范围；

在所述目标时间范围内确定搜索步长；

根据所述搜索步长，在所述目标时间范围内获得第一值和第二值；

基于设定的吞吐量表达式函数，确定所述第一值对应的第一函数值及所述第二值对应的第二函数值；

如果所述第一函数值大于所述第二函数值，则将所述第一值确定为参考值，否则，将所述第二值确定为所述参考值；

根据所述参考值，确定误差，所述误差＝所述搜索步长/所述参考值；

如果所述误差小于预设的误差阈值，则将所述参考值确定为最优的所述时间分配系数τ；

否则，调整所述第一时间范围，将调整后的所述第一时间范围确定为所述目标时间范围，重复执行所述在所述目标时间范围内确定搜索步长的步骤；

其中，所述吞吐量表达式函数为：

P_max为所述能量基站的最大发射功率，λ₁为矩阵GG^H对应的最大特征向量，G为状态矩阵，x为自变量；

所述状态矩阵G为：

其中，g_k为所述能量基站到第k个传感器节点的第一信道状态信息，

h_k为第k个传感器节点到所述信息接收机的第二信道状态信息，N₀为所述信息接收机接收到的噪声功率；

将所述第一值代入到所述吞吐量表达式函数中，计算得到第一函数值，将所述第二值代入到所述吞吐量表达式函数中，计算得到第二函数值。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述信息接收机具体用于：

将接收到的所有传感器节点采集到的信息的集合确定为目标信息集合；

在所述目标信息集合中确定目标传感器节点的信息；

将所述目标信息集合中除所述目标传感器节点的信息外的其他信息确定为干扰信息，解码所述目标传感器节点的信息；

在所述目标信息集合中去除所述目标传感器节点的信息，将剩下的信息的集合确定为目标信息集合，重复执行所述在所述目标信息集合中确定目标传感器节点的信息的步骤，直至所述目标信息集合为空。

3.根据权利要求1或2所述的通信系统，其特征在于，所述能量基站具体用于：

获取所述能量基站到每个传感器节点的第一信道状态信息和每个传感器节点到所述信息接收机的第二信道状态信息；

根据所述第一信道状态信息和所述第二信道状态信息，构建状态矩阵；

将所述状态矩阵进行奇异值分解，获得酉矩阵和对角矩阵；

提取所述酉矩阵中与所述对角矩阵中最大的奇异值对应的列向量；

根据提取到的列向量和所述能量基站的最大发射功率，确定最优的能量波束成型向量；

根据所述能量波束成型向量，确定向各个传感器节点传输的能量大小；

所述能量波束成型向量w^*为：

其中，P_max为所述能量基站的最大发射功率，v₁为所述酉矩阵中与所述对角矩阵中最大的奇异值对应的列向量。

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