CN107277759A - 基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，包括以下步骤：构建WBAN能量与信息传输模型；利用WBAN信道衰落模型提出双向能量与信息传输方法；以最大信息传输速率为目标，提出本发明的优化算法；利用MATLAB仿真计算，求得本发明提出的方法的最优解，并用仿真验证。本发明针对体域网中节点电池容量小，不易更换等问题，将无线能量和信息同时传输技术应用在无线体域网中。本发明提出的能量与信息传输方法，在满足能量收集与消耗平衡的条件下，实现了信息与能量的双向最优化传输。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体是基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法。
背景技术
无线体域网(WBAN，Wireless Body Area Network)是节点分布在人体体表、体内或人体周围的无线传输网络。节点用来监测人体生理信号(例如，体温、血糖、血压等)、动作信号和人体周围环境信息等。它融合了传感器、无线通信网络、生命科学与人类健康等众多前沿技术，可广泛应用于医疗保健、健康恢复、军事、体育和娱乐等领域。无线体域网具备诸多优势的同时，也面临着很多挑战。其中，最大的挑战之一是网络的能量受限。无线体域网中的传感器节点体积小，有些需要植入人体体内，不易更换电池。所以，设计高能效的无线体域网能量传输协议是极其重要的。
WBAN能量收集方面的研究，与传统的无线传感器网络不同。不仅要建立一个高效的信息传输机制，而且还需要一个高效的能量传输机制，实现能量和信息的同时传输，使网络长期稳定可靠的工作。然而，目前尚未见到切实有效的能量和信息同时传输方法与机制。另外，考虑到人体的舒适度，对节点的大小有很严格的要求，人类也经常在室内活动，通常使用的能量源(如太阳能，风能，水能等)在体域网中均不适用。
无线射频信号可以在传输信息的同时传输能量，因此，无线信息与能量同时传输成为一个十分具有应用前景的领域。能量与信息同时传输是一个此消彼长的过程，寻找能量和信息传输的平衡是研究的关键。现有的研究多为PS(power splitting)和TS(timesplitting)两种接收模式。其中，在PS模式下，两个时间段采用均匀分配；在TS模式中，第二阶段和第三阶段同样采用时间均匀分配。并没有考虑在时间非均等分配时的情况，这会造成信息的吞吐量不是那么的理想。如果考虑时间不均等的分配情况，在多变量同时优化的结果下，势必增加系统的传输性能。
发明内容
本发明的目的在于提供基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，具体步骤如下：
(1)构建无线体域网的能量与信息传输模型，源节点到目的节点的距离固定，中继节点的位置是移动的，根据中继节点的位置，得到相应的路径损耗和信道增益；
(2)根据功率分配协议和时间分配协议，提出基于功率分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法和基于时间分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法；
(3)根据所提出的传输方法，以每个周期内信息传输速率最大为优化目标，利用约束条件建立最优化策略；
(4)利用MATLAB仿真计算，求得系统唯一最优解，即在信息速率最大时所对应的最优功率分配比ρ*，最优时间分配比λ*和最佳中继位置。
作为本发明进一步的发明：所述步骤(1)中构建无线体域网的能量与信息传输模型的方法，包括：
1)节点的放置：
无线体域网是监测人体生理参数的传感器网络，节点放置在人体体表或者体内，采用三节点传输模型，源节点(S)通过中继(R)的帮助传输能量到目的节点(D)，同时，目的节点(D)在中继辅助下转发信息到源节点；传感器节点分布在100cm×100cm的人体躯干上，以平面中心为坐标原点，建立平面直角坐标系；源节点坐标为(0，0)，目的节点坐标为(50，0)，中继节点在平面内的坐标为(x，y)；
2)路径损耗与信道增益如公式(1)所示：
其中，PL(d)[dB]是指人体传输路径损耗，n，d0，PL(d0)是给定的参数，n＝3.23，d0＝10cm，PL(d0)＝41.2dB，d为节点之间的距离；
定义人体传输的信道增益如公式(2)所示：
根据上述所述节点的放置情况，其中，源节点(S)到中继(R)的距离如公式(3)所示：
中继到目的节点的距离如公式(4)所示：
所以，源节点到中继的信道增益如公式(5)所示：
中继到目的节点间的信道增益如公式(6)所示：
作为本发明进一步的发明：所述步骤(2)中基于功率分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法，具体如下：
传输时间T分为两个阶段；第一个阶段λT(0＜λ＜1)，源节点和目的节点分别发送能量信号和信息信号到中继节点，中继节点将接收的信号以功率分配比ρ进行能量收集；
在第一阶段，收集的能量表示如公式(7)所示：
Er ps＝ηρλTPs|h|2 公式(7)；
同时，信息传输速率如公式(8)所示：
其中，λ为传输时间比，(0＜λ＜1)，ρ为能量分流比，(0＜ρ＜1)，σr 2为中继接收噪声功率，σb 2为信息处理噪声功率，η为能量存储效率，|h|2和|g|2分别为源节点到中继和中继到目的节点的信道增益，Ps为源节点的发送功率；
第二阶段(1-λ）T，中继接收信号的(1-ρ)用于能量和信息转发；此时，信息传输速率如公式(9)所示：
其中，σs 2为源节点接收的噪声功率。
作为本发明进一步的发明：所述步骤(2)中基于时间分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法，具体如下：
整个传输过程，时间T分为三个阶段；第一个阶段λ1T(0＜λ1＜1)，源节点发送能量信号到中继节点，中继节点接收的能量如公式(10)所示：
Er ts＝ηρλ1TPs|h|2 (公式10)；
第二阶段λ2T(0＜λ2＜1)，目的节点发送信息到中继；此时，信息传输速率如公式(11)所示：
第三阶段λ3T(0＜λ3＜1)，中继转发能量和信息到目的节点和源节点；此时，信息传输速率如公式(12)所示：
其中，λ1，λ2和λ3为时间分配比，且λ1+λ2+λ3＝1。
作为本发明进一步的方案：所述步骤(3)中建立最优化策略包括：
以最大化信息传输速率为优化目标，利用非线性规划问题求解最优解；中继节点在第一象限内移动时，建立数学模型；目标函数如公式(13)所示：
RDS＝maxmin{R1，R2} 公式(13)；
其中，RDS为目的节点到源节点的信息传输速率；
针对基于功率分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法：
当R1 ps＜R2 ps时，目标函数如公式(14)所示：RDS ps＝maxR1 ps公式(14)；
当R2 ps＜R1 ps时，目标函数如公式(15)所示：RDS ps＝maxR2 ps公式(15)；
限制条件如公式(16)所示：
针对基于时间分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法：
当R1 ts＜R2 ts时，目标函数如公式(17)所示：RDS ts＝maxR1 ts公式(17)；
当R2 ts＜R1 ts时，目标函数如公式(18)所示：RDS ts＝maxR2 ts公式(18)；
限制条件如公式(19)所示：
作为本发明再进一步的方案：所述步骤(4)中求系统唯一最优解的具体步骤如下：
1)利用MATLAB仿真计算，求得上述约束条件下的最优解；
2)仿真验证和效果分析：
仿真实验参数为：Ps＝1mw，η＝1，σr 2＝σs 2＝σb 2＝-124dBm，B＝1MHz；
通过仿真结果，证明了在线性传输系统中，中继节点距离目的节点较近时，系统性能最优；所述的线性传输系统中，y＝0。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用非线性规划问题求得系统唯一最优解，克服上述现有的技术缺陷，创新性的提出了基于PS和TS模式的时间不均等的无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，将无线能量和信息同时传输技术应用在无线体域网中，保证了能量来源的稳定性，延长网络生存期。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明中无线体域网能量和信息传输模型示意图。
图3为本发明中基于功率分配的传输方法示意图。
图4为本发明中基于时间分配的传输方法示意图。
图5为本发明中优化算法的流程示意图。
图6为本发明中信息传输速率的变化图像的示意图。
图7为本发明中中继位置的变化图像的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-6，图2是无线体域网能量和信息传输模型，包括：源节点(S)、中继节点(R)和目的节点(D)。源节点到目的节点的距离固定，中继节点的位置是移动的。源节点在中继的帮助下传递能量到目的节点，同时，目的节点在中继辅助下转发信息到源节点。
信息传输速率会同时随着中继距离源节点的距离，时间分配比和能量分配比的改变而改变。图3是基于功率分配的传输方法，图4是基于时间分配的传输方法。
图5是优化算法的流程图，当R1<R2时，优化目标函数为R1；当R2<R1时，优化目标函数为R2。在两种传输方法的限制条件下，利用MATLAB分别计算出最优解。
图6和图7分别给出了信息传输速率和中继位置的变化图像，最大的传输速率为两条曲线交点处，即R1＝R2。从图4和图5可以看出，在时间和功率分配比是最优的情况下，信息传输速率大于传统PS与TS的传输方法。本发明提出的基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法得以验证。
基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，具体步骤如下：
(1)构建无线体域网的能量与信息传输模型，源节点到目的节点的距离固定，中继节点的位置是移动的，根据中继节点的位置，得到相应的路径损耗和信道增益；
(2)根据功率分配协议和时间分配协议，提出基于功率分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法和基于时间分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法；为了减少能源消耗，中继和目的节点为能量受限节点。目的节点通过中继将信息转发到源节点，并从源节点处发送的射频信号中收集能量。源节点有稳定的能量供应，它的发送功率是一定的。
(3)根据所提出的传输方法，以每个周期内信息传输速率最大为优化目标，利用约束条件建立最优化策略；
(4)利用MATLAB仿真计算，求得系统唯一最优解，即在信息速率最大时所对应的最优功率分配比ρ*，最优时间分配比λ*和最佳中继位置。
所述步骤(1)中构建无线体域网的能量与信息传输模型的方法，包括：
1)节点的放置：
无线体域网是监测人体生理参数的传感器网络，节点放置在人体体表或者体内，采用三节点传输模型，源节点(S)通过中继(R)的帮助传输能量到目的节点(D)，同时，目的节点(D)在中继辅助下转发信息到源节点；其中，中继位置是可改变的；传感器节点分布在100cm×100cm的人体躯干上，以平面中心为坐标原点，建立平面直角坐标系；源节点坐标为(0，0)，目的节点坐标为(50，0)，中继节点在平面内的坐标为(x，y)；
2)路径损耗与信道增益如公式(1)所示：
其中，PL(d)[dB]是指人体传输路径损耗，n，d0，PL(d0)是给定的参数，n＝3.23，d0＝10cm，PL(d0)＝41.2dB，d为节点之间的距离；
定义人体传输的信道增益如公式(2)所示：
根据上述所述节点的放置情况，其中，源节点(S)到中继(R)的距离如公式(3)所示：
中继到目的节点的距离如公式(4)所示：
所以，源节点到中继的信道增益如公式(5)所示：
中继到目的节点间的信道增益如公式(6)所示：
所述步骤(2)中基于功率分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法，具体如下：
传输时间T分为两个阶段；第一个阶段λT(0＜λ＜1)，源节点和目的节点分别发送能量信号和信息信号到中继节点，中继节点将接收的信号以功率分配比ρ进行能量收集；
在第一阶段，收集的能量表示如公式(7)所示：
Er ps＝ηρλTPs|h|2 公式(7)；
同时，信息传输速率如公式(8)所示：
其中，λ为传输时间比，(0＜λ＜1)，ρ为能量分流比，(0＜ρ＜1)，σr 2为中继接收噪声功率，σb 2为信息处理噪声功率，η为能量存储效率，|h|2和|g|2分别为源节点到中继和中继到目的节点的信道增益，Ps为源节点的发送功率；
第二阶段(1-λ)T，中继接收信号的(1-ρ)用于能量和信息转发；此时，信息传输速率如公式(9)所示：
其中，σs 2为源节点接收的噪声功率，为了保证传输过程中，节点能够正确的解码信息，整个过程中信息传输速率为两个阶段中最小的。
所述步骤(2)中基于时间分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法，具体如下：
整个传输过程，时间T分为三个阶段；第一个阶段λ1T(0＜λ1＜1)，源节点发送能量信号到中继节点，中继节点接收的能量如公式(10)所示：
Er ts＝ηρλ1TPs|h|2 (公式10)；
第二阶段λ2T(0＜λ2＜1)，目的节点发送信息到中继；此时，信息传输速率如公式(11)所示：
第三阶段λ3T(0＜λ3＜1)，中继转发能量和信息到目的节点和源节点；此时，信息传输速率如公式(12)所示：
其中，λ1，λ2和λ3为时间分配比，且λ1+λ2+λ3＝1；同样，整个过程中信息传输速率为两个阶段中最小的。
所述步骤(3)中建立最优化策略包括：
以最大化信息传输速率为优化目标，利用非线性规划问题求解最优解；中继节点在第一象限内移动时，建立数学模型；目标函数如公式(13)所示：
RDS＝maxmin{R1,R2} 公式(13)；
其中，RDS为目的节点到源节点的信息传输速率；
针对基于功率分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法：
当R1 ps＜R2 ps时，目标函数如公式(14)所示：RDS ps＝maxR1 ps公式(14)；
当R2 ps＜R1 ps时，目标函数如公式(15)所示：RDS ps＝maxR2 ps公式(15)；
限制条件如公式(16)所示：
针对基于时间分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法：
当R1 ts＜R2 ts时，目标函数如公式(17)所示：RDS ts＝maxR1 ts公式(17)；
当R2 ts＜R1 ts时，目标函数如公式(18)所示：RDS ts＝maxR2 ts公式(18)；
限制条件如公式(19)所示：
所述步骤(4)中求系统唯一最优解的具体步骤如下：
1)利用MATLAB仿真计算，求得上述约束条件下的最优解；
2)仿真验证和效果分析：
仿真实验参数为：Ps＝1mw，η＝1，σr 2＝σs 2＝σb 2＝-124dBm，B＝1MHz；
通过仿真结果，本发明与现有的方法PS和TS比较，本发明的信息速率都优于传统(时间等分)的方法；也证明了在线性传输系统中，中继节点距离目的节点较近时，系统性能最优；所述的线性传输系统中，y＝0。
本发明利用非线性规划问题求得系统唯一最优解，克服上述现有的技术缺陷，创新性的提出了基于PS和TS模式的时间不均等的无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，将无线能量和信息同时传输技术应用在无线体域网中，保证了能量来源的稳定性，延长网络生存期。
本发明首次在无线体域网中，提出了无线能量和信息同传输技术。前人的研究大部分为无线能量和信息单独传输，能量的收集方式大多为震动，热能等，并未考虑从射频信号中同时进行能量的收集来延长网络的生存期。
本发明首次考虑体域网中节点的平面放置方式，中继节点在平面内允许自由移动，对比传统研究大都集中在节点的直线放置方式，中继节点仅限于在两端点连线内移动，本发明更适用于实际情况。
本发明提出了新的时间和能量分配比传输方法，对比现存的时间均匀分配的传输方法，本发明更具有一般性。
本发明的优化方法拥有很低的复杂度，目标函数在约束条件下，具有唯一最优解，该方法具有一定的误差，但就仿真结果看误差在容许范围内，针对更为精确的求解方式，可以采用固定部分变量计算。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)构建无线体域网的能量与信息传输模型，源节点到目的节点的距离固定，中继节点的位置是移动的，根据中继节点的位置，得到相应的路径损耗和信道增益；
(2)根据功率分配协议和时间分配协议，提出基于功率分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法和基于时间分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法；
(3)根据所提出的传输方法，以每个周期内信息传输速率最大为优化目标，利用约束条件建立最优化策略；
(4)利用MATLAB仿真计算，求得系统唯一最优解，即在信息速率最大时所对应的最优功率分配比ρ*，最优时间分配比λ*和最佳中继位置。
2.根据权利要求1所述的提供基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，其特征在于，所述步骤(1)中构建无线体域网的能量与信息传输模型的方法，包括：
1)节点的放置：
无线体域网是监测人体生理参数的传感器网络，节点放置在人体体表或者体内，采用三节点传输模型，源节点(S)通过中继(R)的帮助传输能量到目的节点(D)，同时，目的节点(D)在中继辅助下转发信息到源节点；传感器节点分布在100cm×100cm的人体躯干上，以平面中心为坐标原点，建立平面直角坐标系；源节点坐标为(0，0)，目的节点坐标为(50，0)，中继节点在平面内的坐标为(x，y)；
2)路径损耗与信道增益如公式(1)所示：
其中，PL(d)[dB]是指人体传输路径损耗，n，d0，PL(d0)是给定的参数，n＝3.23，d0＝10cm，PL(d0)＝41.2dB，d为节点之间的距离；
定义人体传输的信道增益如公式(2)所示：
根据上述所述节点的放置情况，其中，源节点(S)到中继(R)的距离如公式(3)所示：
中继到目的节点的距离如公式(4)所示：
所以，源节点到中继的信道增益如公式(5)所示：
中继到目的节点间的信道增益如公式(6)所示：
3.根据权利要求1所述的提供基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，其特征在于，所述步骤(2)中基于功率分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法，具体如下：
传输时间T分为两个阶段；第一个阶段λT(0＜λ＜1)，源节点和目的节点分别发送能量信号和信息信号到中继节点，中继节点将接收的信号以功率分配比ρ进行能量收集；
在第一阶段，收集的能量表示如公式(7)所示：
Er ps＝ηρλTPs|h|2 公式(7)；
同时，信息传输速率如公式(8)所示：
其中，λ为传输时间比，(0＜λ＜1)，ρ为能量分流比，(0＜ρ＜1)，σr 2为中继接收噪声功率，σb 2为信息处理噪声功率，η为能量存储效率，|h|2和|g|2分别为源节点到中继和中继到目的节点的信道增益，Ps为源节点的发送功率；
第二阶段(1-λ)T，中继接收信号的(1-ρ)用于能量和信息转发；此时，信息传输速率如公式(9)所示：
其中，σs 2为源节点接收的噪声功率。
4.根据权利要求1所述的提供基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，其特征在于，所述步骤(2)中基于时间分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法，具体如下：
整个传输过程，时间T分为三个阶段；第一个阶段λ1T(0＜λ1＜1)，源节点发送能量信号到中继节点，中继节点接收的能量如公式(10)所示：
Er ts＝ηρλ1TPs|h|2 (公式10)；
第二阶段λ2T(0＜λ2＜1)，目的节点发送信息到中继；此时，信息传输速率如公式(11)所示：
第三阶段λ3T(0＜λ3＜1)，中继转发能量和信息到目的节点和源节点；此时，信息传输速率如公式(12)所示：
其中，λ1，λ2和λ3为时间分配比，且λ1+λ2+λ3＝1。
5.根据权利要求1所述的提供基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，其特征在于，所述步骤(3)中建立最优化策略包括：
以最大化信息传输速率为优化目标，利用非线性规划问题求解最优解；中继节点在第一象限内移动时，建立数学模型；目标函数如公式(13)所示：
RDS＝maxmin{R1,R2} 公式(13)；
其中，RDS为目的节点到源节点的信息传输速率；
针对基于功率分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法：
当R1 ps＜R2 ps时，目标函数如公式(14)所示：RDS ps＝maxR1 ps 公式(14)；
当R2 ps＜R1 ps时，目标函数如公式(15)所示：RDS ps＝maxR2 ps 公式(15)；
限制条件如公式(16)所示：
针对基于时间分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法：
当R1 ts＜R2 ts时，目标函数如公式(17)所示：RDS ts＝maxR1 ts 公式(17)；
当R2 ts＜R1 ts时，目标函数如公式(18)所示：RDS ts＝maxR2 ts 公式(18)；
限制条件如公式(19)所示：
6.根据权利要求1所述的提供基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，其特征在于，所述步骤(4)中求系统唯一最优解的具体步骤如下：
1)利用MATLAB仿真计算，求得上述约束条件下的最优解；
2)仿真验证和效果分析：
仿真实验参数为：Ps＝1mw，η＝1，σr 2＝σs 2＝σb 2＝-124dBm，B＝1MHz；
通过仿真结果，证明了在线性传输系统中，中继节点距离目的节点较近时，系统性能最优；所述的线性传输系统中，y＝0。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109067480A (zh) * | 2018-08-23 | 2018-12-21 | 广州恒创智能科技有限公司 | 采用wpt技术的wban的能量和数据传输时间分配方法 |
| CN111586614A (zh) * | 2020-05-11 | 2020-08-25 | 吉林大学 | 联合目的节点权重进行优化协作网络信息和能量传输的方法 |
| WO2020215801A1 (zh) * | 2019-04-26 | 2020-10-29 | 深圳先进技术研究院 | 中继网络能量效率最优分配方法、装置、终端及存储介质 |
| CN113543183A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-10-22 | 中国电子科技集团公司电子科学研究院 | 一种共存无线体域网间协作方法、系统及存储介质 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102340838A (zh) * | 2011-07-18 | 2012-02-01 | 西安电子科技大学 | 无线体域网中延长网络生存时间的媒体接入控制方法 |
| CN103874171A (zh) * | 2012-12-14 | 2014-06-18 | 深圳先进技术研究院 | 人体通信装置中的数据发送和接收方法 |
| CN105359590A (zh) * | 2013-07-10 | 2016-02-24 | Kt株式会社 | 无线局域网系统内传输数据的方法和设备 |
-
2017
- 2017-08-08 CN CN201710669096.4A patent/CN107277759A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102340838A (zh) * | 2011-07-18 | 2012-02-01 | 西安电子科技大学 | 无线体域网中延长网络生存时间的媒体接入控制方法 |
| CN103874171A (zh) * | 2012-12-14 | 2014-06-18 | 深圳先进技术研究院 | 人体通信装置中的数据发送和接收方法 |
| CN105359590A (zh) * | 2013-07-10 | 2016-02-24 | Kt株式会社 | 无线局域网系统内传输数据的方法和设备 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| LIHENG WANG,ET AL.: "Wireless Information and Power Transfer to Maximize Information Throughput in WBAN", 《IEEE》 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109067480A (zh) * | 2018-08-23 | 2018-12-21 | 广州恒创智能科技有限公司 | 采用wpt技术的wban的能量和数据传输时间分配方法 |
| CN109067480B (zh) * | 2018-08-23 | 2020-11-06 | 广州恒创智能科技有限公司 | 采用wpt技术的wban的能量和数据传输时间分配方法 |
| WO2020215801A1 (zh) * | 2019-04-26 | 2020-10-29 | 深圳先进技术研究院 | 中继网络能量效率最优分配方法、装置、终端及存储介质 |
| CN111866904A (zh) * | 2019-04-26 | 2020-10-30 | 深圳先进技术研究院 | 中继网络能量效率最优分配方法、装置、终端及存储介质 |
| CN111586614A (zh) * | 2020-05-11 | 2020-08-25 | 吉林大学 | 联合目的节点权重进行优化协作网络信息和能量传输的方法 |
| CN111586614B (zh) * | 2020-05-11 | 2022-02-11 | 吉林大学 | 联合目的节点权重进行优化协作网络信息和能量传输的方法 |
| CN113543183A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-10-22 | 中国电子科技集团公司电子科学研究院 | 一种共存无线体域网间协作方法、系统及存储介质 |
| CN113543183B (zh) * | 2021-06-10 | 2023-12-15 | 中国电子科技集团公司电子科学研究院 | 一种共存无线体域网间协作方法、系统及存储介质 |
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