CN108964751B - 一种利用环境rf无线充电的通信设备间的通信方法 - Google Patents

一种利用环境rf无线充电的通信设备间的通信方法 Download PDF

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李灯熬
张亮
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves

Abstract

本发明一种利用环境RF无线充电的通信设备间的通信方法，属于利用环境RF无线充电通信技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种利用环境RF无线充电的通信设备间的通信方法；解决该技术问题采用的技术方案为：使用发射机S和接收机D进行通信，所述发射机S能够执行对数据主动传输模式或对数据反向散射传输模式，并且进行RF能量收集；所述接收机D可以解调来自调制的反向散射和有源RF传输的数据；所述数据传输模式可以由发射机S通过接收选择信令来完成；本发明应用于RF无线充电通信设备。

Description

一种利用环境RF无线充电的通信设备间的通信方法
技术领域
本发明一种利用环境RF无线充电的通信设备间的通信方法，属于利用环境RF无线充电通信技术领域。
背景技术
在物联网快速发展的趋势下，各种智能通讯设备蜂拥而出，包括智能家居、车联网、智能可穿戴等各大领域用到通讯设备模块，它们在未来将呈现出大规模的相互关联状态；如此看来，不借助现有的基站资源，设计出一套高效的无线通讯系统及通信方法，有助于未来物联网行业经济高效的发展。
研究表明，近年来传感器节点间相互通信在吞吐率，传输速率，通讯时延和通讯网络范围等领域的研究发展有了很大突破，但同时也存在不少的发展瓶颈，如能量供应不足，通信距离短等问题。
环境反向散射通信技术的出现对传感器节点间的持续通讯产生很大影响，信息传输通过天线的负载调试有效降低了系统能耗；但尽管如此，环境反向散射通信较低的发射速率(几十kbps)和较短的通讯距离限制了传感器节点间的通讯性能与其应用，同时需要较高的信噪比(SNR)来弥补通讯过程中产生的误码率(BER)；因此，在此基础上设计一套新的信号传输系统对无线通讯设备间相互通信的发展有着重大意义。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种利用环境RF无线充电的通信设备间的通信方法；为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种利用环境RF无线充电的通信设备间的通信方法，使用发射机S和接收机D进行通信，所述发射机S能够执行对数据主动传输模式或对数据反向散射传输模式，并且进行RF能量收集；所述接收机D可以解调来自调制的反向散射和有源RF传输的数据；
所述数据传输模式可以由发射机S通过接收选择信令来完成；
具体通信方法包括如下步骤：
第一步，设定发射机S与接收机D的系统模型；
设定环境中存在射频信号源Φ和Ψ，分别处于不同的频带上；
所述发射机S在信号源Φ环境下采集RF能量；
当发射机S处于环境反向散射工作模式，它将对来自信号源Φ的入射信号执行负载调制；
当发射机S处于无线供电通信模式时，它将从信号源Φ的环境中收集能量，并利用Ψ环境中的信号源来传输信号；
接收机D接收由发射机S发送信号的过程中会受到Ψ环境中RF信号的干扰；
设定上述射频信号源Φ和Ψ遵循独立的α-Ginibre点过程；
第二步，设定相应系统参数；
设属于信号源Φ的环境中发射机的发射功率为PA；
设属于信号源Ψ的环境中发射机的发射功率为PB；
设XS表示发射机的位置，XD表示接收机的位置；
a为射频信号源Φ的位置，b为射频信号源Ψ的位置；
第三步，计算发射机接受功率信号的功率：
对XS处的接收机天线能接收到信号源Φ的RF信号的功率为：
PI＝PA∑a∈Aha,S||Xa-XS|||-μ；
其中ha，S表示环境发射器a∈A和S之间的信道增益，μ表示路径损耗指数；
由于不同的硬件电路消耗不同的能量，所以当混合发射机以不同模式工作时，所需要的最低功率也不一样；
同时设ρB和ρH分别表示环境反向散射和无线供电通信模式下的电路阈值功率；
如果发射器无法获得足够的能量，则不能工作；
第四步，对此系统在纯环境反向散射模式下的通信数据建模；
在环境反向散射过程中，将PH表示为从天线摄入的RF信号转换为直流电的信号功率，将PR表示为剩余作为调制信号的入射信号功率；
在纯环境反向散射模式下，S处的能量收集率表示为：
Figure BDA0001748232550000021
其中β表示RF到DC能量转换的效率，取值范围为0＜β≤1，η表示RF到直流电能量转换的入射RF功率的分数；
第五步，计算发射机S与接收机D之间的距离为：
d＝||XS-XD||；
第六步，在纯环境反向散射模式下，由发射机S反向散射到接收机D处的信号功率可以计算为：
PS,D＝δPI(1-η)hS,Dd-μ；
其中δ表示发射天线的后向散射效率，与天线孔径有关，取值范围为0＜δ≤1，hS，D表示发射机S和接收机D之间的信道增益；
第七步，如果发射机在纯环境反向散射模式下正常工作，则得到的信噪比为：
Figure BDA0001748232550000031
其中σ2是加性高斯白噪声的功率谱密度；
如果接收的信噪比VB高于接受机D最低可接受的阈值τB，则接收机D能够以预先设计的速率TB成功解码来自发射机S反向散射的信息；
第八步，对此系统在纯无线供电通信模式下的通信数据建模；
当发射机S采用无线供电通信模式时，发射机以基于时隙的方式工作，将每个时隙分成两个周期，第一周期的时间分数为ω，用于收集能量，在此期间匹配网络的阻抗与天线的阻抗完全匹配以最大化能量转换效率，能量收集率为：
Figure BDA0001748232550000032
将收获的能量为电路供电，并将多余的能量储存在能量存储器中；
第九步：当收集到的能量足以启动发射电路，则发射机S将在以时间分数为(1-ω)的第二周期依靠存储的能量进行主动信号发射；
在主动信号发射阶段，发射机S的发射功率为：
Figure BDA0001748232550000033
接收机处的接收信号与干扰噪声之比可以表示为：
Figure BDA0001748232550000034
h'S,D表示发射机S和接收机D在Ψ环境之间的信道增益,,Xb-XD表示信号源Ψ与接收机D之间的距离；
第十步，对此系统在混合模式下的通信数据建模；
基于功率阈值和信噪比阈值的混合动态协议来判断两种通信协议的切换：
情况1：当检测到发射机S存储的能量
Figure BDA0001748232550000035
低于主动发送信息所需要的阈值能量ρH，且接收机D处的信噪比VB高于来自反向散射信息解码所需的阈值τB；
即当
Figure BDA0001748232550000041
且VB＞τB时，使用环境反向散射模式；
情况2：当检测到发射机S存储的能量
Figure BDA0001748232550000042
高于主动发送信息所需要的阈值能量ρH，且接收机D处的信噪比VH高于来自反向散射信息解码所需的阈值τB；
即当
Figure BDA0001748232550000043
且VH＞τB时，使用无线供电通信主动发射模式；；
情况3：当检测到发射机S存储的能量
Figure BDA0001748232550000044
低于主动发送信息所需要的阈值能量ρH，但接收机D处的信噪比VB也低于来自反向散射信息解码所需的阈值τB；
即当
Figure BDA0001748232550000045
且VB＜τB时，使用环境反向散射模式；此时无线供电通信模式由于电压过小无法工作；
情况4：当检测到发射机S存储的能量
Figure BDA0001748232550000046
高于主动发送信息所需要的阈值能量ρH，同时接收机D处的信噪比VB也高于来自反向散射信息解码所需的阈值τB；
即当
Figure BDA0001748232550000047
且VB＞τB时，分以下两种情况使用：
引入风险函数CBH，设P(B)为采用反向散射模式合适的概率，设P(H)为采用无线供电通信模式合适的概率；
由最小风险贝叶斯准则计算门限值l(x)为：
Figure BDA0001748232550000048
当l(x)＞0.5时，选择为P(B)下的风险，即采用环境反向散射模式；
当l(x)＞0.5时，选择为P(H)下的风险，即采用无线供电通信模式。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供一种无线通讯设备间相互通信的新系统，它混合了两种自我可持续的通信方法，即环境反向散射通信和无线供电通信；一方面，环境反向散射通信可以在非常低的功耗下运行，另一方面，无线供电通信通过主动发射信号可以实现信号在较长距离的传输，这两种方法可以很好地相互补充，从而获得更好的信号传输性能，提升了混合发射机在不同环境下与接收机的通信能力，是对无源通信系统上下行链路通信质量的优化方案。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明在三种通信模式下的信噪比与误码率关系图；
具体实施方式
如图1所示，本发明一种利用环境RF无线充电的通信设备间的通信方法，使用发射机S和接收机D进行通信，所述发射机S能够执行对数据主动传输模式或对数据反向散射传输模式，并且进行RF能量收集；所述接收机D可以解调来自调制的反向散射和有源RF传输的数据；
所述数据传输模式可以由发射机S通过接收选择信令来完成；
具体通信方法包括如下步骤：
第一步，设定发射机S与接收机D的系统模型；
设定环境中存在射频信号源Φ和Ψ，分别处于不同的频带上；
所述发射机S在信号源Φ环境下采集RF能量；
当发射机S处于环境反向散射工作模式，它将对来自信号源Φ的入射信号执行负载调制；
当发射机S处于无线供电通信模式时，它将从信号源Φ的环境中收集能量，并利用Ψ环境中的信号源来传输信号；
接收机D接收由发射机S发送信号的过程中会受到Ψ环境中RF信号的干扰；
设定上述射频信号源Φ和Ψ遵循独立的α-Ginibre点过程；
第二步，设定相应系统参数；
设属于信号源Φ的环境中发射机的发射功率为PA；
设属于信号源Ψ的环境中发射机的发射功率为PB；
设XS表示发射机的位置，XD表示接收机的位置；
a为射频信号源Φ的位置，b为射频信号源Ψ的位置；
第三步，计算发射机接受功率信号的功率：
对XS处的接收机天线能接收到信号源Φ的RF信号的功率为：
PI＝PA∑a∈A ha,S||Xa-XS|||-μ；
其中ha，S表示环境发射器a∈A和S之间的信道增益，μ表示路径损耗指数；
由于不同的硬件电路消耗不同的能量，所以当混合发射机以不同模式工作时，所需要的最低功率也不一样；
同时设ρB和ρH分别表示环境反向散射和无线供电通信模式下的电路阈值功率；
如果发射器无法获得足够的能量，则不能工作；
第四步，对此系统在纯环境反向散射模式下的通信数据建模；
在环境反向散射过程中，将PH表示为从天线摄入的RF信号转换为直流电的信号功率，将PR表示为剩余作为调制信号的入射信号功率；
在纯环境反向散射模式下，S处的能量收集率表示为：
Figure BDA0001748232550000063
其中β表示RF到DC能量转换的效率，取值范围为0＜β≤1，η表示RF到直流电能量转换的入射RF功率的分数；
第五步，计算发射机S与接收机D之间的距离为：
d＝||XS-XD||；
第六步，在纯环境反向散射模式下，由发射机S反向散射到接收机D处的信号功率可以计算为：
PS,D＝δPI(1-η)hS,Dd-μ；
其中δ表示发射天线的后向散射效率，与天线孔径有关，取值范围为0＜δ≤1，hS，D表示发射机S和接收机D之间的信道增益；
第七步，如果发射机在纯环境反向散射模式下正常工作，则得到的信噪比为：
Figure BDA0001748232550000061
其中σ2是加性高斯白噪声的功率谱密度；
如果接收的信噪比VB高于接受机D最低可接受的阈值τB，则接收机D能够以预先设计的速率TB成功解码来自发射机S反向散射的信息；
第八步，对此系统在纯无线供电通信模式下的通信数据建模；
当发射机S采用无线供电通信模式时，发射机以基于时隙的方式工作，将每个时隙分成两个周期，第一周期的时间分数为ω，用于收集能量，在此期间匹配网络的阻抗与天线的阻抗完全匹配以最大化能量转换效率，能量收集率为：
Figure BDA0001748232550000062
将收获的能量为电路供电，并将多余的能量储存在能量存储器中；
第九步：当收集到的能量足以启动发射电路，则发射机S将在以时间分数为(1-ω)的第二周期依靠存储的能量进行主动信号发射；
在主动信号发射阶段，发射机S的发射功率为：
Figure BDA0001748232550000071
接收机处的接收信号与干扰噪声之比可以表示为：
Figure BDA0001748232550000072
h'S,D表示发射机S和接收机D在Ψ环境之间的信道增益,Xb-XD表示信号源Ψ与接收机D之间的距离；
第十步，对此系统在混合模式下的通信数据建模；
基于功率阈值和信噪比阈值的混合动态协议来判断两种通信协议的切换：
情况1：当检测到发射机S存储的能量
Figure BDA0001748232550000073
低于主动发送信息所需要的阈值能量ρH，且接收机D处的信噪比VB高于来自反向散射信息解码所需的阈值τB；
即当
Figure BDA0001748232550000074
且VB＞τB时，使用环境反向散射模式；
情况2：当检测到发射机S存储的能量
Figure BDA0001748232550000075
高于主动发送信息所需要的阈值能量ρH，且接收机D处的信噪比VH高于来自反向散射信息解码所需的阈值τB；
即当
Figure BDA0001748232550000076
且VH＞τB时，使用无线供电通信主动发射模式；；
情况3：当检测到发射机S存储的能量
Figure BDA0001748232550000077
低于主动发送信息所需要的阈值能量ρH，但接收机D处的信噪比VB也低于来自反向散射信息解码所需的阈值τB；
即当
Figure BDA0001748232550000078
且VB＜τB时，使用环境反向散射模式；此时无线供电通信模式由于电压过小无法工作；
情况4：当检测到发射机S存储的能量
Figure BDA0001748232550000079
高于主动发送信息所需要的阈值能量ρH，同时接收机D处的信噪比VB也高于来自反向散射信息解码所需的阈值τB；
即当
Figure BDA00017482325500000710
且VB＞τB时，分以下两种情况使用：
引入风险函数CBH，设P(B)为采用反向散射模式合适的概率，设P(H)为采用无线供电通信模式合适的概率；
由最小风险贝叶斯准则计算门限值l(x)为：
Figure BDA0001748232550000081
当l(x)＞0.5时，选择为P(B)下的风险，即采用环境反向散射模式；
当l(x)＞0.5时，选择为P(H)下的风险，即采用无线供电通信模式。
使用本发明方法在进行实验时，采用的系统参数数值设置如下表所示：
参数符号 μ d σ2 η β τ<sub>H</sub> τ<sub>B</sub> ρH
值 4 5m -90dBm 0.625 30％ -40dB 5dB 113μW 1
表1：设计所采用的系统参数设置
经过测试，采用本方法对发射机与接收机进行通信时，其信噪比与误码率关系如图1所示，由关系图可知，采用混合模式方法通信，由于可以根据发射机存储能量与数据传输信噪比数值大小自行切换无线供电通信模式与反向散射通信模式，使混合通信模式在数据传输过程中随着信噪比的不断增加，可以更好的降低误码率，使通信效率更高，通信效果更稳定。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种利用环境RF无线充电的通信设备间的通信方法，其特征在于：使用发射机S和接收机D进行通信，所述发射机S能够执行对数据主动传输模式或对数据反向散射传输模式，并且进行RF能量收集；所述接收机D可以解调来自调制的反向散射和有源RF传输的数据；
所述数据传输模式可以由发射机S通过接收选择信令来完成；
具体通信方法包括如下步骤：
第一步，设定发射机S与接收机D的系统模型；
设定环境中存在射频信号源Φ和Ψ，分别处于不同的频带上；
所述发射机S在信号源Φ环境下采集RF能量；
当发射机S处于环境反向散射工作模式，它将对来自信号源Φ的入射信号执行负载调制；
当发射机S处于无线供电通信模式时，它将从信号源Φ的环境中收集能量，并利用Ψ环境中的信号源来传输信号；
接收机D接收由发射机S发送信号的过程中会受到Ψ环境中RF信号的干扰；
第二步，设定相应系统参数；
设属于信号源Φ的环境中发射机的发射功率为PA；
设属于信号源Ψ的环境中发射机的发射功率为PB；
设XS表示发射机的位置，XD表示接收机的位置；
a为射频信号源Φ的位置，b为射频信号源Ψ的位置；
第三步，计算发射机接受功率信号的功率：
对XS处的接收机天线能接收到信号源Φ的RF信号的功率为：
PI＝PA∑a∈Aha，S||Xa-XS||-μ；
其中ha，S表示环境发射器a∈A和S之间的信道增益，μ表示路径损耗指数，Xa表示信号源Φ的位置；
由于不同的硬件电路消耗不同的能量，所以当混合发射机以不同模式工作时，所需要的最低功率也不一样；
同时设ρB和ρH分别表示环境反向散射和无线供电通信模式下的电路阈值功率；
如果发射器无法获得足够的能量，则不能工作；
第四步，对此系统在纯环境反向散射模式下的通信数据建模；
在环境反向散射过程中，将PH表示为从天线摄入的RF信号转换为直流电的信号功率，将PR表示为剩余作为调制信号的入射信号功率；
在纯环境反向散射模式下，S处的能量收集率表示为：
Figure FDA0003049280340000021
其中β表示RF到直流电能量转换的效率，取值范围为0＜β≤1，η表示RF到直流电能量转换的入射RF功率的分数；
第五步，计算发射机S与接收机D之间的距离为：
d＝||XS-XD||；
第六步，在纯环境反向散射模式下，由发射机S反向散射到接收机D处的信号功率可以计算为：
PS，D＝δPI(1-η)hS，Dd-μ；
其中δ表示发射天线的后向散射效率，与天线孔径有关，取值范围为0＜δ≤1，hs，D表示发射机S和接收机D之间的信道增益；
第七步，如果发射机在纯环境反向散射模式下正常工作，则得到的信噪比为：
Figure FDA0003049280340000022
其中σ2是加性高斯白噪声的功率谱密度；
如果接收的信噪比VB高于接受机D最低可接受的阈值τB，则接收机D能够以预先设计的速率TB成功解码来自发射机S反向散射的信息；
第八步，对此系统在纯无线供电通信模式下的通信数据建模；
当发射机S采用无线供电通信模式时，发射机以基于时隙的方式工作，将每个时隙分成两个周期，第一周期的时间分数为ω，用于收集能量，在此期间匹配网络的阻抗与天线的阻抗完全匹配以最大化能量转换效率，能量收集率为：
Figure FDA0003049280340000024
将收获的能量为电路供电，并将多余的能量储存在能量存储器中；
第九步：当收集到的能量足以启动发射电路，则发射机S将在以时间分数为(1-ω)的第二周期依靠存储的能量进行主动信号发射；
在主动信号发射阶段，发射机S的发射功率为：
Figure FDA0003049280340000023
式中H是无线供电通信模式；
接收机处的接收信号与干扰噪声之比可以表示为：
Figure FDA0003049280340000031
h’S，D表示发射机S和接收机D在Ψ环境之间的信道增益，hb，D表示接收机和信号源b的信道增益，Xb-XD表示信号源Ψ与接收机D之间的距离；
B表示环境反向散射模式，PB表示环境反向散射下的功率，Xb表示信号源Ψ的位置，XD表示接收机D的位置；
第十步，对此系统在混合模式下的通信数据建模；
基于功率阈值和信噪比阈值的混合动态协议来判断两种通信协议的切换：
情况1：当检测到发射机S存储的能量
Figure FDA0003049280340000032
低于主动发送信息所需要的阈值能量ρH，且接收机D处的信噪比VB高于来自反向散射信息解码所需的阈值τB；
即当
Figure FDA0003049280340000033
且VB＞τB时，使用环境反向散射模式；
情况2：当检测到发射机S存储的能量
Figure FDA0003049280340000034
高于主动发送信息所需要的阈值能量ρH，且接收机D处的信噪比VH高于来自反向散射信息解码所需的阈值τB；
即当
Figure FDA0003049280340000035
且VH＞τB时，使用无线供电通信主动发射模式；
情况3：当检测到发射机S存储的能量
Figure FDA0003049280340000036
低于主动发送信息所需要的阈值能量ρH，但接收机D处的信噪比VB也低于来自反向散射信息解码所需的阈值τB；
即当
Figure FDA0003049280340000037
且VB＜τB时，使用环境反向散射模式；此时无线供电通信模式由于电压过小无法工作；
情况4：当检测到发射机S存储的能量
Figure FDA0003049280340000038
高于主动发送信息所需要的阈值能量ρH，同时接收机D处的信噪比VB也高于来自反向散射信息解码所需的阈值τB；
即当
Figure FDA0003049280340000039
且VB＞τB时，分以下两种情况使用：
引入风险函数CBH，Chh，CHB，CBB，设P(B)为采用反向散射模式合适的概率，设P(H)为采用无线供电通信模式合适的概率；
则由最小风险贝叶斯准则计算门限值l(x)为：
Figure FDA0003049280340000041
式中CBH，CHH，CHB，CBB均为引入的风险函数；
当l(x)＞0.5时，选择为P(B)下的风险，即采用环境反向散射模式；
当l(x)＞0.5时，选择为P(H)下的风险，即采用无线供电通信模式。
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