CN109362089B - 无线能量传输通信网络的性能评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开描述了一种无线能量传输通信网络的性能评估方法，是包含基站(或者网络接入点)和用户(或者节点)的无线能量传输通信网络系统的性能评估方法，其特征在于，包括：用户向基站发送登录请求信号；基站根据登录请求信号进行信道估计，基于信道估计为多个用户分配对应的传输时间段，并将分配结果通过广播形式通知用户；基于信道估计，并计算吞吐量、传输概率和连接中断概率；并且基于吞吐量、传输概率和连接中断概率，获得可信吞吐量，以综合评估网络性能，其中，当可信吞吐量达到系统要求的阈值，向用户广播能量信号，用户接收能量信号，并将其转化为发射能量，每个用户在相应的传输时间段内向基站发射数据信号，基站接收数据信号。

Description

无线能量传输通信网络的性能评估方法及系统

技术领域

本公开涉及无线通信技术领域，具体涉及一种无线能量传输通信网络的性能评估方法及系统。

背景技术

无线能量传输通信网络(wireless powered communication network，WPCN)是一种通过采集环境中的信号以获得能量，并将获得的能量应作为用户端的能量供给的通信网络。

在研究无线能量传输通信网络的安全性和可靠性问题时，无线能量传输通信网络的整体性能由可实现的吞吐量来衡量，同时还需要考虑传输延迟，安全性能和可靠性性能。为了使得无线能量传输通信网络的安全性和可靠性的评估更加准确，对各种性能指标以及安全漏洞的分析是至关重要的。

然而，目前对各种性能指标以及安全漏洞的研究还很不完善。例如，现有的技术是在不考虑任何特定安全或可靠性要求的情况下计算无线能量传输通信网络的吞吐量。在这种情况下，得到的WPCN的吞吐量是不可信的。即在这种情况下，得到的WPCN的吞吐量不能够准确的反应无线能量传输通信网络的整体性能。

发明内容

为了解决上述问题，在WPCN中引入物理层认证，以便接收到的信号只有满足一定的安全要求才能被接受。具体而言，定义了表征传输延迟，安全性性能和可靠性性能的概率度量。基于上述概率指标，提出了一个称为可信吞吐量的新性能指标。对于性能分析，可以很好地推导出上述概率度量的闭式表达式和衰落信道上的可信吞吐量。并对WPCN的可信吞吐量的有效性进行分析。

即，本公开是为了解决上述现有问题而完成的，其目的在于提供一种能够准确评估无线能量传输通信网络的整体性能的无线能量传输通信网络的性能评估方法及系统。

为此，本公开的第一方面提供了一种无线能量传输通信网络的性能评估方法，是包含基站(或者网络接入点)和用户(或者节点)的无线能量传输通信网络系统的性能评估方法，其特征在于，包括：所述用户向所述基站发送登录请求信号；所述基站根据所述登录请求信号进行信道估计，基于所述信道估计为多个所述用户分配对应的传输时间段，并将分配结果通过广播形式通知所述用户；基于所述信道估计，并计算吞吐量、传输概率和连接中断概率；并且基于所述吞吐量、所述传输概率和所述连接中断概率，获得可信吞吐量，以综合评估网络性能，其中，当所述可信吞吐量达到系统要求的阈值，向所述用户广播能量信号，所述用户接收所述能量信号，并将所述能量信号转化为发射能量，每个所述用户在相应的传输时间段内向所述基站发射数据信号，所述基站接收所述数据信号。

在本公开中，基站接收用户的登录请求信号进行信道估计并给每个用户分配对应的传输时间段，基站基于信道估计计算吞吐量、传输概率和连接中断概率，并获得可信吞吐量以综合评估网络性能。当可信吞吐量达到系统要求的阈值，基站广播能量信号，每个用户接收能量信号，并在相应的传输时间段内向基站发射数据信号，基站接收所述数据信号。在这种情况下，根据可信吞吐量能够更准确评估无线能量传输通信网络的整体性能，即能够更准确综合评估无线能量传输通信网络的安全性和可靠性。

在本公开第一方面所涉及的性能评估方法中，每个所述用户的吞吐量由下式(Ⅰ)计算得到：R_i＝(1-ρ_i)τ_ilog₂(1+γ_i)(Ⅰ)，其中，R_i表示第i个用户的吞吐量，ρ_i表示安全分配因子，τ_i表示第i个用户对应的传输时间段的时间分配因子，γ_i表示在所述基站接收到的瞬时信噪比。在这种情况下，能够基于吞吐量获得可信吞吐量。

在本公开第一方面所涉及的性能评估方法中，所述连接中断概率由下式(Ⅱ)计算得到：

(R_i<ε_PCO|第i个用户U_i传输发生)(Ⅱ)，其中，R_i表示第i个用户的吞吐量，ε_PCO表示通信速率的下限。在这种情况下，能够判断无线能量传输通信网络的可靠性。

在本公开第一方面所涉及的性能评估方法中，所述传输概率P_Ti由下式(Ⅲ)计算得到：

(第i个用户U_i传输发生)(Ⅲ)。在这种情况下，能够度量无线能量传输通信网络的传输延迟性能。

在本公开第一方面所涉及的性能评估方法中，所述可信吞吐量由下式(Ⅳ)计算得到：η_i＝P_Ti(1-P_COi)R_i(Ⅳ)，其中，P_Ti表示所述传输概率，P_COi表示所述连接中断概率，R_i表示第i个用户的吞吐量。在这种情况下，能够更准确评估无线能量传输通信网络的整体性能。

本公开的第二方面提供了一种无线能量传输通信网络的性能评估设备，其特征在于，包括：处理器，其执行所述存储器存储的计算机程序以实现上述任一项所述的性能评估方法；以及存储器。

本公开的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有至少一个指令，所述至少一个指令被处理器执行时实现上述任一项所述的性能评估方法。

本公开的第四方面提供了一种无线能量传输通信网络的性能评估系统，是包括发射装置和用户装置的无线能量传输通信网络的性能评估系统，其特征在于，包括：所述用户装置，其用于向所述发射装置发送登录请求信号；以及所述发射装置，其用于根据所述登录请求信号进行信道估计，基于所述信道估计为多个所述用户装置分配对应的传输时间段，并将分配结果通过广播形式通知所述用户装置，基于所述信道估计，并计算吞吐量、传输概率和连接中断概率，基于所述吞吐量、所述传输概率和所述连接中断概率，获得可信吞吐量，以综合评估网络性能，其中，当所述可信吞吐量达到系统要求的阈值，向所述用户装置广播能量信号，所述用户装置接收所述能量信号，并将所述能量信号转化为发射能量，每个所述用户装置在相应的传输时间段内向所述发射装置发射数据信号，所述发射装置接收所述数据信号。

在本公开中，发射装置接收用户装置的登录请求信号进行信道估计并给每个用户装置分配对应的传输时间段，发射装置基于信道估计计算吞吐量、传输概率和连接中断概率，并获得可信吞吐量以综合评估网络性能。当可信吞吐量达到系统要求的阈值，发射装置广播能量信号，每个用户装置接收能量信号，并在相应的传输时间段内向发射装置发射数据信号，发射装置接收所述数据信号。在这种情况下，根据可信吞吐量能够更准确评估无线能量传输通信网络的整体性能，即能够更准确综合评估无线能量传输通信网络的安全性和可靠性。

在本公开第四方面所涉及的性能评估系统中，每个所述用户装置的吞吐量由下式(Ⅰ)计算得到：R_i＝(1-ρ_i)τ_i log₂(1+γ_i)(Ⅰ)，其中，R_i表示第i个用户装置的吞吐量，ρ_i表示安全分配因子，τ_i表示第i个用户装置对应的传输时间段的时间分配因子，γ_i表示在所述发射装置接收到的瞬时信噪比。在这种情况下，能够基于吞吐量获得可信吞吐量。

在本公开第四方面所涉及的性能评估系统中，所述连接中断概率由下式(Ⅱ)计算得到：

(R_i<ε_PCO|第i个用户U_i传输发生)(Ⅱ)，其中，R_i表示第i个用户装置的吞吐量，ε_PCO表示通信速率的下限。在这种情况下，能够判断无线能量传输通信网络的可靠性。

在本公开第四方面所涉及的性能评估系统中，所述传输概率P_Ti由下式(Ⅲ)计算得到：

(第i个用户U_i传输发生)(Ⅲ)。在这种情况下，能够度量无线能量传输通信网络的传输延迟性能。

在本公开第四方面所涉及的性能评估系统中，所述可信吞吐量由下式(Ⅳ)计算得到：η_i＝P_Ti(1-P_COi)R_i(Ⅳ)，其中，P_Ti表示所述传输概率，P_COi表示所述连接中断概率，R_i表示第i个用户装置的吞吐量。在这种情况下，能够更准确评估无线能量传输通信网络的整体性能。

与现有技术相比，本公开的示例具备以下有益效果：

本公开研究了WPCN中的性能评估方法及系统。另外，在本公开中，定义了用于表征传输延迟，安全性能和可靠性性能的概率度量。基于上述概率指标定义了一个称为可信吞吐量的新性能指标。对于性能分析，定义了上述概率度量和衰落信道上的可信吞吐量，然后推导出它们的闭式表达式。通过分析本公开中的性能指标能够加强无线能量传输通信网络的安全性和可靠性。

附图说明

现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本公开的实施例，其中：

图1是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的通信网络模型示意图。

图2是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的时序图。

图3是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的性能评估方法的流程示意图。

图4是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的性能评估方法的吞吐量和可信吞吐量在不同瞬时信噪比下的对比波形示意图。

图5是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的性能评估方法的吞吐量和可信吞吐量在不同安全分配因子下的对比波形示意图。

图6是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的性能评估系统的结构示意图。

图7是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的性能评估设备的结构示意图。

具体实施方式

以下，参考附图，详细地说明本公开的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。

需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的通信网络模型示意图。

在一些示例中，如图1所示，基站可以有一个。用户可以包括至少一个。基站与每个用户都配有一个天线。且基站与所有的用户都在相同的频段上工作。

在一些示例中，图1所示的信号模型中，基站(例如接入点)可以是指接入网中在空中接口上通过一个或多个扇区与无线终端通信的设备。基站可用于将收到的空中帧与IP分组进行相互转换，作为无线终端与接入网的其余部分之间的路由器，其中，接入网的其余部分可包括网际协议(IP)网络。基站还可以协调对空中接口的属性管理。例如，基站可以是GSM或CDMA中的基站(BTS，Base Transceiver Station)，也可以是WCDMA中的基站(NodeB)，还可以是LTE中的演进型基站(NodeB或eNB或e-NodeB，evolutional Node B)。

在一些示例中，用户可以包括用户设备。用户设备可以包括但不限于智能手机、笔记本电脑、个人计算机(Personal Computer，PC)、个人数字助理(Personal DigitalAssistant，PDA)、移动互联网设备(Mobile Internet Device，MID)、穿戴设备(如智能手表、智能手环、智能眼镜)等各类电子设备。其中，该用户设备或测试设备的操作系统可包括但不限于Android操作系统、IOS操作系统、Symbian(塞班)操作系统、Black Berry(黑莓)操作系统、Windows Phone8操作系统等。另外，用户也可以是节点。

在一些示例中，如图1所示，图中的虚线A可以表示下行链路(downlink，DL)。下行链路(DL)中可以具有无线能量传输(wireless energy transfer，WET)。图中的实线B可以表示上行链路(uplink，UL)。上行链路(UL)中可以具有无线信息传输(wirelessinformation transmissions，WIT)。

在一些示例中，如图1所示的通信网络模型中，用户需要从DL中通过基站发射的能量信号收集能量。并且用户可以将收集到的能量信号存储在可充电的电池中，用于为用户的电路供电并且在UL中向基站传输数据信号。另外，用户可以被假定没有其他嵌入式能源。

在另一些示例中，在DL中，可以是网络接入点发射能量信号。在UL中，可以是节点向基站或网络接入点传输数据信号。

在一些示例中，如图1所示的通信网络模型中，基站和用户之间通过无线信道完成上述的能量信号和数据信号的传输。其中，DL信道可以由复数随机变量

表示。UL信道可以由复数随机变量

表示。且DL和UL信道都被假定为准静态和平坦衰落。

在一些示例中，假设DL和UL保持信道互惠性，因此

h_i表示信道响应且满足

其中

α_d≥2是信道路径损耗指数，d_i是基站和用户之间的距离。

在一些示例中，如图1所示的通信网络模型可以包括信道估计(channelestimation，CE)、时间分配(time allocation，TA)、能量传输(WET)和信息传输(WIT)四个阶段。另外，当无线能量传输通信网络的综合性能较低时，上述的四个阶段中可以实现部分阶段。

图2是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的时序图。在一些示例中，如图2所示，无线能量传输通信网络完成一次能量信号和数据信号的传输需要的时间可以是T。也即无线能量传输通信网络完成一次信道估计、时间分配、能量传输和信息传输需要的时间可以是T。其中，信息传输阶段中各个用户是通过时分多址(TDMA)的方式将数据信号传输至基站。

在一些示例中，如图2所示，T可以根据上述的四个阶段划分为四个时段。具体而言，信道估计的时段可以为τ_aT，时间分配的时段可以为τ_bT，能量传输的时段可以为τ₀T，信息传输的时段可以为

其中，i可以取1、2、3...K-1、K。K代表用户的个数。其中，τ_a、τ_b、τ₀和τ_i可以分别代表各个阶段的时间分配因子。且满足

另外，不同的τ_iT表示不同的用户对应的时段。

基于图1所示的模型和图2的时序图，由于无线能量传输通信网络中可能存在攻击端(未图示)，攻击端可能会在TA阶段和WIT阶段攻击无线能量传输通信网络，以影响无线能量传输通信网络的能量传输和数据传输，因此本公开提供了无线能量传输通信网络的性能评估方法、设备和系统。

另外，无线能量传输通信网络的性能评估方法、设备和系统可以是包含基站(或者网络接入点)和用户(或者节点)的无线能量传输通信网络的性能评估方法、设备和系统。在本公开中，能够更准确评估无线能量传输通信网络的整体性能，即能够更准确综合评估无线能量传输通信网络的安全性和可靠性。以下结合附图进行详细描述本公开。

图3是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的性能评估方法的流程示意图。基于图1所示的模型和图2的时序图，如图3所示，无线能量传输通信网络的性能评估方法包括用户向基站发送登录请求信号(步骤S100)。

在步骤S100中，用户可以向基站发送登录请求信号可以看做是信道估计阶段中的通信建立。具体而言，在时段τ_aT内，用户向基站发送登录请求。如果用户的标识属于基站的合法用户数据库，则基站向用户返回确认信号。如果用户的标识不属于基站的数据库，则该用户不属于合法用户，基站直接丢弃该用户。

在一些示例中，无线能量传输通信网络的性能评估方法还可以包括基站根据登录请求信号进行信道估计，基于信道估计为多个用户分配对应的传输时间段，并将分配结果通过广播形式通知用户(步骤S200)。

在步骤S200中，基站可以根据登录请求信号进行信道估计。具体而言，在时段τ_aT内，基站可以根据基站与用户之间的信息交换为合法用户估计并完善

和

也即，基站可以在时段τ_aT内完成信道估计。

另外，在步骤S200中，基站进行信道估计时还可以获得基站接收到的瞬时信噪比(SNR)。

另外，在步骤S200中，基站可以基于信道估计为多个用户分配对应的传输时间段，并将分配结果通过广播形式通知用户。基于上述可知，基站在时段τ_bT内完成时间分配，并将分配结果通过广播形式通知用户。

具体而言，在时段τ_bT内，基站可以基于信道估计的结果，分配WET和WIT的时间。另外，在WIT中，不同的用户可以占据不同的时间，基站在时段τ_bT内可以进一步完成对不同用户的时间的分配。分配的结果例如可以是WET的时间为τ₀T和WIT的时间为

其中，不同的τ_iT表示不同的用户的时间。另外，基站可以将不同的用户的分配的结果可以通过广播形式通知用户。

在一些示例中，无线能量传输通信网络的性能评估方法还可以包括基于信道估计，并计算吞吐量、传输概率和连接中断概率(步骤S300)。

在步骤S300中，基于步骤S200的信道估计，至少可以获得用户的安全分配因子、基站接收到的瞬时信噪比(SNR)和各个传输时间段的时间分配因子。

在一些示例中，在UL中，每个用户的吞吐量R_i(也即第i个用户的吞吐量)可以由下式(1)计算得到：

其中，ρ_i表示安全分配因子，τ_i表示第i个用户对应的传输时间段的时间分配因子。γ_i表示基站接收到的瞬时信噪比(SNR)。且γ_i满足

β_i可以表示为

在γ_i的表达式中，

且

的概率密度函数满足下式(2)：

由此，基站可以计算得到所有用户的吞吐量之和，即WPCN的总吞吐量R_sum满足下式(3)：

在步骤S300中，基站还可以计算传输概率P_Ti。P_Ti可以度量传输延迟性能。在WPCN中假设存在重传机制，则根据特定的协议，用户U_i的重传现象可能并不总是发生。因此，用户U_i的传输概率P_Ti满足下式(4)：

(第i个用户U_i传输发生) (4)

在一些示例中，式(4)可以具体表示为下式(5)：

其中，

在一些示例中，当信噪比γ_i超过设定门限值ε_PT时，用户的数据信号就会成功传输。由此，式(4)可以转化为下式(6)：

P_Ti＝P(γ_i>ε_PT) (6)

其中，设定门限值ε_PT可以根据经验设置。设定门限值ε_PT可以衡量用户发射的数据信号的传输延迟和可靠性。

在一些示例中，当WPCN中不存在重传机制时，ε_PT＝0，P_Ti＝1。

在步骤S300中，基站还可以计算连接中断概率P_COi。连接中断概率P_COi可以评估WPCN的可靠性性能。当用户无法在基站无错误地解码消息时发生连接中断，连接中断概率P_COi满足下式(7)：

(R_i<ε_PCO|第i个用户U_i传输发生) (7)

其中，ε_PCO表示通信速率的下限。在这种情况下，能够判断无线能量传输通信网络的可靠性。

在一些示例中，满足

时，连接中断发生。因此，当ε_PT≥0时，连接中断概率P_COi可以表示为：

在一些示例中，无线能量传输通信网络的性能评估方法还可以包括基于吞吐量、传输概率和连接中断概率，获得可信吞吐量，以综合评估网络性能。其中，当可信吞吐量达到系统要求的阈值ε₁，向用户广播能量信号，用户接收能量信号，并将能量信号转化为发射能量，每个用户在相应的传输时间段内向基站发射数据信号，基站接收数据信号(步骤S400)。

在步骤S400中，为了综合评估WPCN的整体性能，本公开规定了一个新的指标即可信吞吐量。可信吞吐量可以综合吞吐量、传输概率和连接中断概率，以准确评估无线能量传输通信网络的整体性能。也即基于吞吐量、传输概率和连接中断概率，获得可信吞吐量。每个用户的可信吞吐量η_i满足下式(9)：

η_i＝P_Ti(1-P_COi)R_i (9)

由此，WPCN的可信吞吐量η_sum可以表示为

在这种情况下，能够更准确评估无线能量传输通信网络的整体性能。在一些示例中，可以基于式(1)、式(5)和式(8)获得具体的可信吞吐量η_sum。

另外，在步骤S400中，无线能量传输通信网络的整体性能可以由可信吞吐量与系统要求的阈值ε₁的比较结果确定。系统要求的阈值ε₁可以根据经验设置。当可信吞吐量达到系统要求的阈值ε₁时，无线能量传输通信网络的整体性能较高，即无线能量传输通信网络的安全性和可靠性较高，当可信吞吐量不能达到系统要求的阈值ε₁时，无线能量传输通信网络的整体性能较低，即无线能量传输通信网络的安全性和可靠性较低。

在一些示例中，当可信吞吐量达到系统要求的阈值ε₁时，基站可以向用户广播能量信号。也即在步骤S400中，基站还可以向无线信道发射能量。换而言之，基站还可以通过无线信道向用户发射能量信号。基于上述可知，基站发射能量的时间是τ₀T。在时段τ₀T内，基站向所有的用户发射能量信号。基站发射的能量可以表示为P_A。另外，可以规定P_A足够大。

另外，在步骤S400中，用户可以接收能量信号，并将能量信号转化为发射能量，每个用户在相应的传输时间段内向基站发射数据信号。

在步骤S400中，用户可以接收能量，并将能量信号转化为发射能量。具体而言，在时段τ₀T内，用户可以接收基站发射的能量信号。每个用户接收到的能量足够大，使得从接收机噪声而收获的能量可以忽略不计。每个用户接收的能量可以由下式(10)计算得到：

其中，ζ_i是每个用户的能量收集效率系数。其中，0<ζ_i<1，i可以取1、2、3...K-1、K。K代表用户的个数。另外，为了方便后续讨论，可以假设ζ₁＝...＝ζ_K＝ζ。

另外，在步骤S400中，每个用户可以在相应的传输时间段内向基站发射数据信号x_i。基于上述可知，每个用户在TA阶段时从基站获知各自对应的时段τ_iT(也即上述的相应的传输时间段)。在时段

内，每个用户可以在相应的时段τ_iT内独立完成向基站的数据传输。用户收集的能量的固定部分被用于数据传输中。第i个用户的平均发射功率可以由下式(11)计算得到：

P_i＝κ_iE_i/τ_i (11)

其中，κ_i表示第i个用户U_i收集的能量的固定部分。

在一些示例中，数据信号x_i可以包括导频信号p_i和信息信号m_i。p_i和m_i的长度分别表示为L_i1＝ρ_iL_i和L_i2＝(1-ρ_i)L_i，其中，ρ_i表示安全分配因子，L_i1和L_i2都被假定为整数。L_i表示数据信号x_i的信号长度。L_i满足L_i＝τ_if_sT，其中的f_s是采样频率。另外，p_i的时间长度为ρ_iτ_iT。

另外，基站还可以接收数据信号。基于上述可知，在时段

内，基站可以接收各个用户发射的数据信号。其中，第i次UL时隙中的基站接收的数据信号可以由下式(12)的矢量形式计算得到：

其中，x_i表示第i个用户发射的数据信号，

n_i表示基站在时隙中的噪声。

且n_i服从

在一些示例中，由于数据信号x_i可以包括导频信号p_i和信息信号m_i，并且假设E{|x_i|²}＝L_i,E{|p_i|²}＝L_i1,和E{|m_i|²}＝L_i2，因此，基站接收的数据信号可以表示为

在本公开中，基站可以接收用户的登录请求信号进行信道估计并给每个用户分配对应的传输时间段，基站可以基于信道估计计算吞吐量、传输概率和连接中断概率，并获得可信吞吐量以综合评估网络性能。当可信吞吐量达到系统要求的阈值，基站可以广播能量信号，每个用户接收能量信号，并在相应的传输时间段内向基站发射数据信号，基站可以接收数据信号。在这种情况下，根据可信吞吐量能够更准确评估无线能量传输通信网络的整体性能，即能够更准确综合评估无线能量传输通信网络的安全性和可靠性。下面结合图4至图5对可信吞吐量的有效性进行分析。图4至图5均分析单个用户的情况，基于单个用户的情况可以类比至所有用户的普遍情况。

图4是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的性能评估方法的吞吐量和可信吞吐量在不同瞬时信噪比下的对比波形示意图。其中，波形A代表吞吐量。波形B、波形C、波形D、波形E分别代表ε_PCO值为0、0.1、0.3、0.5时的可信吞吐量。

在一些示例中，如图4所示，随着基站的瞬时信噪比的增大，吞吐量R₁和可信吞吐量η₁均在逐渐增大。可信吞吐量η₁的值总小于吞吐量R₁。由此可知，可信吞吐量η₁是可实现的吞吐量R₁的保守估计。

另外，如图4所示，相同的瞬时信噪比条件下，ε_PCO越大，可信吞吐量η₁的值越小。可信吞吐量η₁的值越小，说明基站丢弃的质量较差的信息越多，WPCN的可靠性就越高。由此，可以通过增大ε_PCO，以提高WPCN的可靠性。另外，改变ε_PCO，对吞吐量R₁不产生影响，因此可信吞吐量η₁更能反映WPCN的可靠性，也即可信吞吐量η₁更有效。

图5是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的性能评估方法的吞吐量和可信吞吐量在不同安全分配因子下的对比波形示意图。波形A代表吞吐量。波形B代表可信吞吐量。

在一些示例中，如图5所示，吞吐量R₁是安全分配因子ρ₁的线性函数，因此，随着ρ₁的增加R₁线性减小。可信吞吐量η₁是安全分配因子ρ₁的凸函数，当安全分配因子ρ₁是点M对应的横坐标

时，也即，ρ₁满足

时，可信吞吐量η₁最大且为0.9965。当

时，随着ρ₁的增加，可信吞吐量η₁增大，当

时，随着ρ₁的增加，可信吞吐量η₁减小。因此，避免ρ₁设置过大，以丧失用户的吞吐量。波形B较之波形A能够确定一个均衡安全分配因子ρ₁和可信吞吐量η₁的点，因此通过可信吞吐量η₁可以确定合适的安全分配因子ρ₁，故可信吞吐量η₁更有效。

上述描述了无线能量传输通信网络的性能评估方法。下面结合附图描述一种无线能量传输通信网络的性能评估系统。

图6是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的性能评估系统的结构示意图。无线能量传输通信网络的性能评估系统可以是包括发射装置和用户装置的无线能量传输通信网络的性能评估系统。本公开中的发射装置和上述的基站可以是相同的概念，用户装置和上述的用户可以是相同的概念。

在一些示例中，如图6所示，无线能量传输通信网络的性能评估系统1(简称网络性能评估系统1)可以包括发射装置10(例如CDMA中的基站)和用户装置20(例如移动电话)。

在一些示例中，用户装置20可以向发射装置10发送登录请求信号。具体而言，在时段τ_aT内，所有用户装置20向发射装置10发送登录请求。如果用户装置20的标识属于发射装置10的合法用户数据库，则发射装置10向用户装置20返回确认信号。如果用户装置20的标识不属于发射装置10的数据库，则该用户装置20不属于合法用户装置，发射装置10直接丢弃该用户装置。

在一些示例中，发射装置10可以根据登录请求信号进行信道估计。信道估计的时段为τ_aT。在时段τ_aT内，发射装置10可以根据发射装置10与用户装置20之间的信息交换为合法用户装置估计并完善

和

另外，发射装置10进行信道估计时还可以获得发射装置10接收到的瞬时信噪比(SNR)。

另外，在一些示例中，发射装置10可以基于信道估计为多个用户装置20分配对应的传输时间段，并将分配结果通过广播形式通知用户装置20。具体而言，在时段τ_bT内，发射装置10基于信道估计的结果，分配WET和WIT的时间。分配的结果例如可以是WET的时间为τ₀T和WIT的时间为

其中，不同的τ_iT表示不同的用户装置20的时间。

在一些示例中，发射装置10还可以基于信道估计，并计算吞吐量、传输概率和连接中断概率。

在一些示例中，在UL中，每个用户装置20的吞吐量R_i(也即第i个用户装置20的吞吐量)可以满足式(1)。发射装置10可以计算得到所有用户装置20的吞吐量之和，且WPCN的总吞吐量R_sum满足式(3)。

在一些示例中，发射装置10可以计算传输概率P_Ti。P_Ti可以度量传输延迟性能。用户装置20的传输概率P_Ti满足式(4)。另外，传输概率P_Ti具体的表达式满足式(5)。当信噪比γ_i超过设定门限值ε_PT时，用户装置20的数据信号成功传输。由此，式(4)可以转化为式(6)。

在一些示例中，发射装置10可以计算连接中断概率P_COi。连接中断概率P_COi可以评估WPCN的可靠性性能。当用户装置20无法在发射装置10上无错误地解码消息时发生连接中断，连接中断概率P_COi满足式(7)。当ε_PT≥0时，连接中断概率P_COi满足式(8)。

在一些示例中，发射装置10还可以基于吞吐量、传输概率和连接中断概率获得可信吞吐量。每个用户装置20的可信吞吐量η_i满足式(9)。由此，WPCN的可信吞吐量η_sum可以表示为

另外，可以基于式(1)、式(5)和式(8)获得具体的可信吞吐量η_sum。在这种情况下，能够更准确评估无线能量传输通信网络的整体性能。

另外，在一些示例中，当可信吞吐量达到系统要求的阈值ε₁，发射装置10还可以向用户装置20广播能量信号。也即在时段τ₀T内，发射装置10向所有的用户装置20发射能量信号。发射装置10发射的能量可以表示为P_A。另外，P_A足够大。

在一些示例中，用户装置20可以接收能量信号，并将能量信号转化为发射能量，每个用户装置20在相应的传输时间段内向发射装置10发射数据信号。具体而言，在时段τ₀T内，接收收装置20可以发射收装置10发射的能量信号。每个用户装置20接收到的能量足够大，且满足式(10)。

另外，在一些示例中，每个用户装置20在相应的传输时间段内向发射装置10发射数据信号。具体而言，每个用户装置20在TA阶段时从发射装置10获知各自对应的时段τ_iT(也即上述的相应的传输时间段)。在时段

内，每个用户装置20在相应的时段τ_iT内独立完成向发射装置10的数据传输。第i个用户装置20的平均发射功率(也即每个用户装置20的平均发射功率)可以满足式(11)。

在一些示例中，数据信号x_i可以包括导频信号p_i和信息信号m_i。p_i和m_i的长度分别表示为L_i1＝ρ_iL_i和L_i2＝(1-ρ_i)L_i，其中，ρ_i表示安全分配因子，L_i1和L_i2都被假定为整数。L_i表示数据信号x_i的信号长度。L_i满足L_i＝τ_if_sT，其中的f_s是采样频率。另外，p_i的时间长度为ρ_iτ_iT。

在一些示例中，发射装置10还可以接收数据信号。基于上述可知，在时段

内，发射装置10接收各个用户装置20发射的数据信号。其中，第i次UL时隙中的发射装置10接收的数据信号满足式(12)。

具体而言，为了综合评估WPCN的整体性能，本公开规定了一个新的指标即可信吞吐量。可信吞吐量可以综合吞吐量、传输概率和连接中断概率，以准确评估无线能量传输通信网络的整体性能。

在本公开中，发射装置10接收用户装置20的登录请求信号进行信道估计并给每个用户装置20分配对应的传输时间段，发射装置10基于信道估计计算吞吐量、传输概率和连接中断概率，并获得可信吞吐量以综合评估网络性能。当可信吞吐量达到系统要求的阈值ε₁，发射装置10广播能量信号，每个用户装置20接收能量信号，并在相应的传输时间段内向发射装置10发射数据信号，发射装置10接收数据信号。在这种情况下，根据可信吞吐量能够更准确评估无线能量传输通信网络的整体性能，即能够更准确综合评估无线能量传输通信网络的安全性和可靠性。

本公开涉及一种无线能量传输通信网络的性能评估设备30(可以简称为性能评估设备30)。图7是示出了本公开的示例所涉及的无线能量传输通信网络的性能评估设备的结构示意图。在本公开中，基站与用户都包含如图7所示的性能评估设备30。

在一些示例中，如图7所示，性能评估设备30包括处理器31和存储器32。其中，处理器31以及存储器32分别连接通信总线。在一些示例中，存储器32可以是高速RAM存储器，也可以是非易失性的存储器(non-volatile memory)。存储器32可以包括存储程序代码的程序存储区和传输数据信号的数据存储区。本领域技术人员可以理解，图7中示出的性能评估设备30的结构并不构成对本公开的限定，它既可以是总线形结构，也可以是星型结构，还可以包括比图7所示的更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

其中，处理器31为性能评估设备30的控制中心。在一些示例中，可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，处理器31利用各种接口和线路连接整个性能评估设备30的各个部分，通过运行或执行存储在存储器32内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器32的程序存储区内的存储的程序代码，用于执行以下操作：

用户向基站发送登录请求信号；基站根据登录请求信号进行信道估计，基于信道估计为多个用户分配对应的传输时间段，并将分配结果通过广播形式通知用户；基于信道估计，并计算吞吐量、传输概率和连接中断概率；并且基于吞吐量、传输概率和连接中断概率，获得可信吞吐量，以综合评估网络性能，其中，当可信吞吐量达到系统要求的阈值，向用户广播能量信号，用户接收能量信号，并将其转化为发射能量，每个用户在相应的传输时间段内向基站发射数据信号，基站接收数据信号。

在一些示例中，性能评估设备30的处理器31还执行以下操作：每个用户的吞吐量由下式(1)计算得到：R_i＝(1-ρ_i)τ_ilog₂(1+γ_i)(1)，其中，R_i表示第i个用户的吞吐量，ρ_i表示安全分配因子，τ_i表示第i个用户对应的传输时间段的时间分配因子，γ_i表示在基站接收到的瞬时信噪比。

在一些示例中，性能评估设备30的处理器31还执行以下操作：连接中断概率由下式(7)计算得到：

(R_i<ε_PCO|第i个用户U_i传输发生)(7)，其中，R_i表示第i个用户的吞吐量，ε_PCO表示通信速率的下限。

在一些示例中，性能评估设备30的处理器31还执行以下操作：传输概率P_Ti由下式(4)计算得到：

(第i个用户U_i传输发生)(4)。

在一些示例中，性能评估设备30的处理器31还执行以下操作：可信吞吐量由下式(9)计算得到：η_i＝P_Ti(1-P_COi)R_i(9)，其中，P_Ti表示传输概率，P_COi表示连接中断概率，R_i表示第i个用户的吞吐量。

在一些示例中，应该理解到，所揭露的设备，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备示例中仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在一些示例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，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单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

在一些示例中，集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在一些示例中公开了一种计算机可读存储介质，本领域普通技术人员可以理解上述示例中的各种无线能量传输通信网络的性能评估方法中的全部或部分步骤是可以通过程序(指令)来指令相关的硬件来完成，该程序(指令)可以存储于计算机可读存储器(存储介质)中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取器(Random Access Memory，RAM)、磁盘或光盘等。

虽然以上结合附图和实施例对本公开进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本公开。本领域技术人员在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本公开进行变形和变化，这些变形和变化均落入本公开的范围内。

Claims (8)

1.一种无线能量传输通信网络的性能评估方法，是包含基站和用户的无线能量传输通信网络系统的性能评估方法，其特征在于，

包括：

所述用户向所述基站发送登录请求信号；

所述基站根据所述登录请求信号进行信道估计，基于所述信道估计为多个所述用户分配对应的传输时间段，并将分配结果通过广播形式通知所述用户；

基于所述信道估计，计算吞吐量、传输概率和连接中断概率；并且

基于所述吞吐量、所述传输概率和所述连接中断概率，获得可信吞吐量，以综合评估网络性能，

其中，当所述可信吞吐量达到系统要求的阈值，向所述用户广播能量信号，所述用户接收所述能量信号，并将所述能量信号转化为发射能量，每个所述用户在相应的传输时间段内向所述基站发射数据信号，所述基站接收所述数据信号，

所述可信吞吐量由下式(Ⅳ)计算得到：

η_i＝P_Ti(1-P_COi)R_i (Ⅳ)，

其中，P_Ti表示所述传输概率，P_COi表示所述连接中断概率，R_i表示第i个用户的吞吐量。

2.根据权利要求1所述的性能评估方法，其特征在于，

每个所述用户的吞吐量由下式(Ⅰ)计算得到：

R_i＝(1-ρ_i)τ_ilog₂(1+γ_i) (Ⅰ)，

其中，R_i表示第i个用户的吞吐量，ρ_i表示安全分配因子，τ_i表示第i个用户对应的传输时间段的时间分配因子，γ_i表示在所述基站接收到的瞬时信噪比。

3.根据权利要求1所述的性能评估方法，其特征在于，

所述连接中断概率由下式(Ⅱ)计算得到：

其中，R_i表示第i个用户的吞吐量，ε_PCO表示通信速率的下限。

4.根据权利要求1所述的性能评估方法，其特征在于，

所述传输概率P_Ti由下式(Ⅲ)计算得到：

5.一种无线能量传输通信网络的性能评估系统，是包括发射装置和用户装置的无线能量传输通信网络的性能评估系统，其特征在于，

包括：

所述用户装置，其用于向所述发射装置发送登录请求信号；以及

所述发射装置，其用于根据所述登录请求信号进行信道估计，基于所述信道估计为多个所述用户装置分配对应的传输时间段，并将分配结果通过广播形式通知所述用户装置，基于所述信道估计，并计算吞吐量、传输概率和连接中断概率，基于所述吞吐量、所述传输概率和所述连接中断概率，获得可信吞吐量，以综合评估网络性能，

其中，当所述可信吞吐量达到系统要求的阈值，向所述用户装置广播能量信号，所述用户装置接收所述能量信号，并将所述能量信号转化为发射能量，每个所述用户装置在相应的传输时间段内向所述发射装置发射数据信号，所述发射装置接收所述数据信号，

所述可信吞吐量由下式(Ⅳ)计算得到：

η_i＝P_Ti(1-P_COi)R_i (Ⅳ)，

其中，P_Ti表示所述传输概率，P_COi表示所述连接中断概率，R_i表示第i个用户装置的吞吐量。

6.根据权利要求5所述的性能评估系统，其特征在于，

每个所述用户装置的吞吐量由下式(Ⅰ)计算得到：

R_i＝(1-ρ_i)τ_ilog₂(1+γ_i) (Ⅰ)，

其中，R_i表示第i个用户装置的吞吐量，ρ_i表示安全分配因子，τ_i表示第i个用户装置对应的传输时间段的时间分配因子，γ_i表示在所述发射装置接收到的瞬时信噪比。

7.根据权利要求5所述的性能评估系统，其特征在于，

所述连接中断概率由下式(Ⅱ)计算得到：

其中，R_i表示第i个用户装置的吞吐量，ε_PCO表示通信速率的下限。

8.根据权利要求5所述的性能评估系统，其特征在于，

所述传输概率P_Ti由下式(Ⅲ)计算得到：

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