CN109041075B - 一种能量受限网络无线能量传输控制方法及系统 - Google Patents

一种能量受限网络无线能量传输控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能量受限网络无线能量传输控制方法及系统，根据终端节点的类型和分布对能量受限网络划分区域，并依据区域中的业务类型、传输时间等参数得到每个区域的能耗值，建立能量分布统计模型，实现能量的分时分级功率传输，节省能量资源；针对特殊能量接入需求的终端节点，通过信息传输所需能量与能量阈值的预估和判定，形成终端节点与能量基站的信令交互方法，灵活调整发送功率、波束指向等参数，实现整个网络能量资源的合理分配，提高能量受限网络持续工作的能力。

Description

一种能量受限网络无线能量传输控制方法及系统
技术领域
本发明属于无线能量传输技术领域，尤其涉及一种能量受限网络无线能量传输控制方法及系统。
背景技术
能量受限网络，如分离模块航天器网络(F6)，模块间的能量供应成为整个网络正常工作的关键。因此，能量受限网络受制于能量的供应影响网络的持续工作，无线能量传输为该网络的持续工作提供了有效的解决途径，但无线能量传输将能量通过无线的方式进行传输，侧重在物理层进行，无法有效的进行能量基站与终端节点之间的传输功率等资源的分配，而当存在多个终端节点组网的情况时，更不能根据终端节点的能量消耗情况合理地调整能量传输参数，造成能量资源浪费。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种能量受限网络无线能量传输控制方法，实现整个网络能量资源的合理分配，提高能量受限网络持续工作的能力。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种能量受限网络无线能量传输控制方法，所述方法包括如下步骤：(1)基于能量受限网络拓扑结构，能量基站将能量受限网络划分为n个区域，分别为k1,k2,…,kn；其中，能量受限网络拓扑结构包括1个能量基站、m个终端节点以及若干条能量传输链路和信息通信链路，m≥1；(2)当终端节点为普通终端节点时，每个区域周期性地分时向能量基站上报本区域内终端节点的状态信息；(3)能量基站根据每个区域内的终端节点的状态信息以及终端数量，建立每个区域的能量分布统计模型；(4)能量基站依照终端节点自身的能量转换效率ρ以及相应功率下的能量存储时间zt'，得到每个时间间隔T内的发射功率和能量传输时间为zt，其中，能量存储时间zt'等于能量传输时间zt；(5)能量基站根据时间间隔T内的发射功率及能量传输时间向区域编号相对应的区域进行无线能量传输，在每个时间间隔内当传输时间等于zt时无线能量传输过程结束。
上述能量受限网络无线能量传输控制方法中，在步骤(2)中，状态信息包括发送业务类型、业务传输持续时间和发送业务时刻。
上述能量受限网络无线能量传输控制方法中，在步骤(3)中，能量分布统计模型的生成方法包括如下步骤：
(31)若第ki区域中的传输业务种类λ种，每种业务的消耗能量值为pj，同时每种业务传输的持续时间为tj，传输相应业务的终端节点数量为Mpj，则该区域相应业务的消耗能量值为Pj；其中，i＝1,2,…,n；1≤j≤λ；1≤Mpj≤m；
(32)设定间隔时间T，能量基站统计每个区域在T内的业务种类λ′以及每种业务的传输时间T'，建立每个区域间隔时间T和消耗能量值Pj的能量分布统计模型，即在时间间隔T内区域ki所需的传输功率值为
Figure BDA0001772990240000021
其中，1≤λ′≤λ，T′≤T，i＝1,2,…,n。
上述能量受限网络无线能量传输控制方法中，在步骤(31)中，该区域相应业务的消耗能量值
Figure BDA0001772990240000022
上述能量受限网络无线能量传输控制方法中，在步骤(32)中，能量分布统计模型为：
Figure BDA0001772990240000023
上述能量受限网络无线能量传输控制方法中，还包括如下步骤：对于特殊能量接入需求的终端节点upq，其中p为区域序列号，q为终端节点序号，其能量接入采用信令交互方式通知能量基站进行能量传输；其中，1≤p≤n，1≤q≤m。
上述能量受限网络无线能量传输控制方法中，信令交互过程的步骤如下：该终端节点预估时间β内的业务信息发送所耗能量与可用能量的比值，当判定所剩能量低于临界阈值，向能量基站发送能量传输请求消息；能量基站解析该请求消息得到区域序列号p、终端节点序号q、突发业务类型和传输时间，并依据步骤(3)的能量分布统计模型的计算方法，得到该终端节点的消耗能量值
Figure BDA0001772990240000031
能量基站根据能量转换效率ρ和能量存储时间zt(upq)，得到发射功率
Figure BDA0001772990240000032
和传输时间zt(upq)；能量基站配置无线能量传输参数，然后对该终端节点进行无线能量传输；当传输时间等于zt(upq)时无线能量传输结束。
上述能量受限网络无线能量传输控制方法中，在步骤(4)中，每个时间间隔T内的发射功率为
Figure BDA0001772990240000033
其中，ΔP为路径传输损耗功率。
根据本发明的另一方面，还提供了一种能量受限网络无线能量传输控制系统，包括：第一模块，用于基于能量受限网络拓扑结构，能量基站将能量受限网络划分为n个区域，分别为k1,k2,…,kn；其中，能量受限网络拓扑结构包括1个能量基站、m个终端节点以及若干条能量传输链路和信息通信链路，m≥1；第二模块，用于当终端节点为普通终端节点时，每个区域周期性地分时向能量基站上报本区域内终端节点的状态信息；第三模块，用于能量基站根据每个区域内的终端节点的状态信息以及终端数量，建立每个区域的能量分布统计模型；第四模块，用于能量基站依照终端节点自身的能量转换效率ρ以及相应功率下的能量存储时间zt'，得到每个时间间隔T内的发射功率和能量传输时间为zt；第五模块，用于能量基站根据时间间隔T内的发射功率及能量传输时间向区域编号相对应的区域进行无线能量传输，在每个时间间隔内当传输时间等于zt时无线能量传输过程结束。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过终端节点类型和分布状况对能量受限网络划分为多个区域，每个区域内分时与能量基站进行信息交互，避免了所有终端节点同时上报信息可能造成的网络阻塞；
(2)本发明根据网络业务特征提出了一种能量分布统计模型的生成方法，建立了每个区域内消耗能量值与网络业务特征的关系模型；
(3)本发明中能量基站依据能量分布统计模型得到每个区域不同时刻的传输能量值，实现能量的分时分级功率传输，缓解了同时同功率能量传输带来的资源浪费；
(4)本发明针对特殊需求的终端节点，通过业务信息传输所需能量与能量阈值的预估和判定，形成终端节点、能量节点以及管理控制中心之间的信令交互，解决了终端节点由于突发业务引起的能量消耗过大的问题；
(5)本发明根据终端节点的能耗状况来灵活调整发送功率、波束指向等参数，实现整个网络能量资源的合理分配，提高能量受限网络持续工作的能力，具有更好的适应性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的采用无线能量传输的能量受限网络拓扑结构图；
图2是本发明实施例提供的传感器网络划分区域示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
采用无线能量传输的能量受限网络的组成元素包括1个能量基站、m(m≥1)个终端节点以及若干条能量传输链路和信息通信链路，其中能量基站既可发送能量和信息也可接收能量和信息，终端节点可以接收信息和能量只能发送信息。该网络的拓扑结构如图1所示。
各元素的功能如下：
能量基站：划分网络区域；
生成/更新能量分布统计模型；
接收终端节点的状态信息；
配置能量发射参数；
发送能量给终端节点；
终端节点：发送状态信息给能量基站；
接收能量基站的能量。
本实施提供了一种能量受限网络无线能量传输控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)基于能量受限网络拓扑结构(包括1个能量基站、m(m≥1)个终端节点以及若干条能量传输链路和信息通信链路)，能量基站根据终端节点类型和分布状况将能量受限网络划分为n个区域，分别为k1,k2,…,kn；
(2)每个区域周期性地分时向能量基站上报本区域内终端节点的状态信息，包括发送业务类型、业务传输持续时间，发送业务时刻等参数；
(3)能量基站根据每个区域内的终端节点的状态信息以及终端数量，建立每个区域的能量分布统计模型，其生成方法如下：
(31)若第ki(i＝1,2,…,n)区域中的传输业务种类λ种，每种业务的消耗能量值为pj(1≤j≤λ)，同时每种业务传输的持续时间为tj(1≤j≤λ)，传输相应业务的终端节点数量为Mpj(1≤Mpj≤m)则该区域相应业务的消耗能量值为Pj(1≤j≤λ)，
Figure BDA0001772990240000061
(32)设定间隔时间T，能量基站统计每个区域在T内的业务种类λ′(1≤λ′≤λ)以及每种业务的传输时间T′(T′≤T)，建立每个区域间隔时间T和消耗能量值Pj的能量分布统计模型：
Figure BDA0001772990240000062
即在时间间隔T内区域ki(i＝1,2,…,n)所需的传输功率值为
Figure BDA0001772990240000063
(4)能量基站依照终端节点的能量转换效率ρ以及相应功率下的能量存储时间zt，得到每个时间间隔T内的发射功率为
Figure BDA0001772990240000064
(ΔP为路径传输损耗功率)，能量传输时间为zt；
(5)能量基站按照以上信息配置波束指向、发射功率等无线能量传输参数，然后向区域ki(i＝1,2,…,n)进行无线能量传输，在每个时间间隔内当传输时间等于zt时无线能量传输过程结束；
(6)能量基站根据每个区域内终端节点的业务类型、业务传输持续时间、发送业务时刻等状态信息的变化定期更新能量分布统计模型。
(7)对于特殊能量接入需求(如突发业务造成能量下降较快)的终端节点upq，其中p为区域序列号(1≤p≤n)，q为终端节点序号(1≤q≤m)，其能量接入采用信令交互方式通知能量基站进行能量传输，该信令交互过程的步骤如下：
(71)该终端节点预估时间β内的业务信息发送所耗能量与可用能量的比值，当判定所剩能量低于临界阈值，向能量基站发送能量传输请求消息；
(72)能量基站解析该请求消息得到区域序列号p、终端节点序号q、突发业务类型、传输时间等参数，并依据步骤(3)的能量分布统计模型的计算方法，得到该终端节点的消耗能量值
Figure BDA0001772990240000071
(73)能量基站根据能量转换效率ρ和能量存储时间zt(upq)，得到发射功率
Figure BDA0001772990240000072
和传输时间zt(upq)；
(74)能量基站配置波束指向、发射功率等无线能量传输参数，然后对该终端节点进行无线能量传输；当传输时间等于zt(upq)时无线能量传输结束。
具体的，这里以无线传感器网络为例进行说明一种能量受限网络无线能量传输控制方法的具体实施方式，该网络包含1个能量基站，18个传感器节点，网络拓扑为星形结构。
(1)根据传感器的分布状况将该传感器网络等分为3个区域，如图2所示，分别为k1,k2,k3；
(2)每个区域中的传感器节点传输业务种类3种(话音、视频、参数信息)，每种业务的消耗能量值为0.01mw、0.1mw、0.001mw，同时每种业务传输的持续时间为10s、100s、1s，相应业务的传感器节点数量分别为3、1、2，则该区域的消耗能量值可设定为P1＝0.3mw，P2＝10mw，P3＝0.002mw；
(3)设定间隔时间T＝6，能量基站统计第1个区域在每6个小时内的业务种类λ'(1≤λ'≤λ)以及每种业务的传输时间T'(T'≤T)，建立每个区域间隔时间T和消耗能量值Pj的能量分布统计模型：
Figure BDA0001772990240000081
即在间隔时间T能量基站向区域1传输功率值为
Figure BDA0001772990240000082
如表1所示。
表1区域1间隔时间内传输功率值
Figure BDA0001772990240000083
(4)能量基站依照终端节点的能量转换效率ρ＝0.3以及相应功率下的能量存储时间zt，无线路径损耗功率ΔP为128mw，从而得到每个时间间隔的发射功率为
Figure BDA0001772990240000084
对应能量传输时间为zt＝0.2h,0.8h,3.2h,0.2h；
(5)能量基站按照以上信息配置波束指向区域1、发射功率为P等无线能量传输参数，然后向区域1进行无线能量传输，在每个时间间隔内当传输时间达到zt后停止无线能量传输。
本实施例还提供了一种能量受限网络无线能量传输控制系统，包括：第一模块，用于基于能量受限网络拓扑结构，能量基站将能量受限网络划分为n个区域，分别为k1,k2,…,kn；其中，能量受限网络拓扑结构包括1个能量基站、m个终端节点以及若干条能量传输链路和信息通信链路，m≥1；第二模块，用于当终端节点为普通终端节点时，每个区域周期性地分时向能量基站上报本区域内终端节点的状态信息；第三模块，用于能量基站根据每个区域内的终端节点的状态信息以及终端数量，建立每个区域的能量分布统计模型；第四模块，用于能量基站依照终端节点自身的能量转换效率ρ以及相应功率下的能量存储时间zt'，得到每个时间间隔T内的发射功率和能量传输时间为zt；第五模块，用于能量基站根据时间间隔T内的发射功率及能量传输时间向区域编号相对应的区域进行无线能量传输，在每个时间间隔内当传输时间等于zt时无线能量传输过程结束。
本实施例通过对能量受限网络划分区域，建立能量分布统计模型，实现能量的分时分级功率传输，节省能量资源；针对特殊能量接入需求的终端节点，通过信息传输所需能量与能量阈值的预估和判定，形成终端节点与能量基站的信令交互方法，灵活调整无线能量传输参数，实现整个网络能量资源的合理分配，提高能量受限网络持续工作的能力。
本实施例通过终端节点类型和分布状况对能量受限网络划分为多个区域，每个区域内分时与能量基站进行信息交互，避免了所有终端节点同时上报信息可能造成的网络阻塞；本实施例根据网络业务特征提出了一种能量分布统计模型的生成方法，建立了每个区域内消耗能量值与网络业务特征的关系模型；本实施例中能量基站依据能量分布统计模型得到每个区域不同时刻的传输能量值，实现能量的分时分级功率传输，缓解了同时同功率能量传输带来的资源浪费；本实施例针对特殊需求的终端节点，通过业务信息传输所需能量与能量阈值的预估和判定，形成终端节点、能量节点以及管理控制中心之间的信令交互，解决了终端节点由于突发业务引起的能量消耗过大的问题；本实施例根据终端节点的能耗状况来灵活调整发送功率、波束指向等参数，实现整个网络能量资源的合理分配，提高能量受限网络持续工作的能力，具有更好的适应性。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种能量受限网络无线能量传输控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)基于能量受限网络拓扑结构，能量基站将能量受限网络划分为n个区域，分别为k1,k2,…,kn；其中，能量受限网络拓扑结构包括1个能量基站、m个终端节点以及若干条能量传输链路和信息通信链路，m≥1；
(2)当终端节点为普通终端节点时，每个区域周期性地分时向能量基站上报本区域内终端节点的状态信息；
(3)能量基站根据每个区域内的终端节点的状态信息以及终端数量，建立每个区域的能量分布统计模型；
(4)能量基站依照终端节点自身的能量转换效率ρ以及相应功率下的能量存储时间zt'，得到每个时间间隔T内的发射功率和能量传输时间为zt；
(5)能量基站根据时间间隔T内的发射功率及能量传输时间向区域编号相对应的区域进行无线能量传输，在每个时间间隔内当传输时间等于zt时无线能量传输过程结束；其中，
在步骤(3)中，能量分布统计模型的生成方法包括如下步骤：
(31)若第ki区域中的传输业务种类λ种，每种业务的消耗能量值为pj，同时每种业务传输的持续时间为tj，传输相应业务的终端节点数量为Mpj，则该区域相应业务的消耗能量值为Pj；其中，
Figure FDA0003432374350000012
1≤j≤λ；1≤Mpj≤m；
(32)设定间隔时间T，能量基站统计每个区域在T内的业务种类λ′以及每种业务的传输时间T'，建立每个区域间隔时间T和消耗能量值Pj的能量分布统计模型，即在时间间隔T内区域ki所需的传输功率值为
Figure FDA0003432374350000011
其中，1≤λ′≤λ，T'≤T，i＝1,2,…,n；
在步骤(31)中，该区域相应业务的消耗能量值
Figure FDA0003432374350000021
在步骤(32)中，能量分布统计模型为：
Figure FDA0003432374350000022
2.根据权利要求1所述的能量受限网络无线能量传输控制方法，其特征在于：在步骤(2)中，状态信息包括发送业务类型、业务传输持续时间和发送业务时刻。
3.根据权利要求1所述的能量受限网络无线能量传输控制方法，其特征在于还包括如下步骤：对于特殊能量接入需求的终端节点upq，其中p为区域序列号，q为终端节点序号，其能量接入采用信令交互方式通知能量基站进行能量传输；其中，1≤p≤n，1≤q≤m。
4.根据权利要求1所述的能量受限网络无线能量传输控制方法，其特征在于：信令交互过程的步骤如下：
该终端节点预估时间β内的业务信息发送所耗能量与可用能量的比值，当判定所剩能量低于临界阈值，向能量基站发送能量传输请求消息；
能量基站解析该请求消息得到区域序列号p、终端节点序号q、突发业务类型和传输时间，并依据步骤(3)的能量分布统计模型的计算方法，得到该终端节点的消耗能量值
Figure FDA0003432374350000023
能量基站根据能量转换效率ρ和能量存储时间zt(upq)，得到发射功率
Figure FDA0003432374350000024
和传输时间zt(upq)；
能量基站配置无线能量传输参数，然后对该终端节点进行无线能量传输；当传输时间等于zt(upq)时无线能量传输结束。
5.根据权利要求1所述的能量受限网络无线能量传输控制方法，其特征在于：在步骤(4)中，每个时间间隔T内的发射功率为
Figure FDA0003432374350000031
其中，ΔP为路径传输损耗功率。
6.一种能量受限网络无线能量传输控制系统，其特征在于包括：
第一模块，用于基于能量受限网络拓扑结构，能量基站将能量受限网络划分为n个区域，分别为k1,k2,…,kn；其中，能量受限网络拓扑结构包括1个能量基站、m个终端节点以及若干条能量传输链路和信息通信链路，m≥1；
第二模块，用于当终端节点为普通终端节点时，每个区域周期性地分时向能量基站上报本区域内终端节点的状态信息；
第三模块，用于能量基站根据每个区域内的终端节点的状态信息以及终端数量，建立每个区域的能量分布统计模型；
第四模块，用于能量基站依照终端节点自身的能量转换效率ρ以及相应功率下的能量存储时间zt'，得到每个时间间隔T内的发射功率和能量传输时间为zt；
第五模块，用于能量基站根据时间间隔T内的发射功率及能量传输时间向区域编号相对应的区域进行无线能量传输，在每个时间间隔内当传输时间等于zt时无线能量传输过程结束；其中，
能量分布统计模型的生成方法包括如下步骤：
(31)若第ki区域中的传输业务种类λ种，每种业务的消耗能量值为pj，同时每种业务传输的持续时间为tj，传输相应业务的终端节点数量为Mpj，则该区域相应业务的消耗能量值为Pj；其中，
Figure FDA0003432374350000032
1≤j≤λ；1≤Mpj≤m；
(32)设定间隔时间T，能量基站统计每个区域在T内的业务种类λ′以及每种业务的传输时间T'，建立每个区域间隔时间T和消耗能量值Pj的能量分布统计模型，即在时间间隔T内区域ki所需的传输功率值为
Figure FDA0003432374350000041
其中，1≤λ′≤λ，T'≤T，i＝1,2,…,n；
在步骤(31)中，该区域相应业务的消耗能量值
Figure FDA0003432374350000042
在步骤(32)中，能量分布统计模型为：
Figure FDA0003432374350000043
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