CN110234125A - 一种基于反向衍射通信的射频充电网络数据优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反向衍射通信的射频充电网络数据优化方法，包括节点，所述节点包括天线，所述节点通过射频能量收集模块收集射频能量存储于能量存储模块中供控制器、数据存储模块、数据采集模块与其他系统模块使用，某个所述节点能量不足时，可以与相邻节点进行被动传输，本发明提出一种多功能节点，该节点能够收集射频能量、主动发射数据、反向衍射数据并接受其他节点的衍射信息，当网络中一个节点在进行主动通信时，其他的节点可以利用反向衍射通信进行信息交流，特别是能量比较低的节点。这样，可以提高能量较低节点的数据传输量。

Description

一种基于反向衍射通信的射频充电网络数据优化方法
技术领域
本发明涉及反向衍射通信技术领域，尤其涉及一种基于反向衍射通信的射频充电网络数据优化方法。
背景技术
近年来，射频充电无线传感网以其远程充电的优势，逐渐成为物联网发展的新趋势。但是射频充电网络无线传感网中，节点有限的能量获取量和数据传输需求之间仍有很大矛盾。举例来说，通过无线WIFI进行作为传输手段的节点，90％的能量消耗在发射数据中。反向衍射通信的最主要应用即为无线射频识别系统(RFID)。在这个系统中，射频发射器(或称读取器)向射频节点发送一个普通的波形，射频节点通过内置的电路，对该波形进行反射或吸收。当反射时，表示传输‘1’，吸收时表示传输‘0’。读取器根据反射的波形即可得到射频节点传输的信息。同时，由于射频节点只是对入射射频进行反射，因此该节点不需要消耗能量，典型的应用包括：公交卡，门禁卡，以及商品信息等。因此，我们提出了一种使用反向衍射通信的方法来减少数据传输消耗的能量，进而增加数据传输量的方法。
发明内容
为解决以上为题，本发明提供了一种基于反向衍射通信的射频充电网络数据优化方法，包括节点，所述节点包括天线，所述天线连接射频能量收集模块、反向衍射解调模块、反向衍射调制模块与射频发射模块四个模块，所述节点通过射频能量收集模块收集射频能量存储于能量存储模块中供控制器、数据存储模块、数据采集模块与其他系统模块使用，能量存储模块中的能量足够多时，能量存储模块中的能量使用射频发射模块提供节点通信，能量存储模块中的能量不足时，可以在其他相近的模块进行主动传输，利用反向衍射通信进行传输。
对本发明的进一步描述，某个所述节点能量不足时，可以与相邻节点进行被动传输，在确定哪些节点可以使用反向衍射的方式来进行传输时，假设ζ为节点反向衍射的阈值，当入射射频能量大于该阈值时，节点可以进行反向衍射；假设节点的主动射频传输功率为p，两个节点间的信道损耗由g表示，则当节点k进行主动传输时，节点i的入射能量需满足以下公式才能进行反向衍射通信：pgki≥ζ。
对本发明的进一步描述，所述节点k进行主动传输时，可以得到所有的可以进行反向衍射通信的节点，以及他们的目标节点，假设反向衍射的通信距离为r，两点间的直线距离由d表示，则所有的反向衍射通信链路(l，j)以及它们的集合Bk为：该公式中，I表示所有的节点，l和j分别表示反向衍射的起始节点和目标节点，根据链路的集合B，我们可以得到各个传输组，即可以同时进行反向衍射的链路，这是为了避免发生数据碰撞：当一个节点正在接收反向衍射通信时，距离该节点的r范围内，最多只能有一个发射端，使用Gk h来表示当k节点进行主动通信时，第h个传输组。
采用上述技术方案，具有如下有益效果：
本发明提出一种多功能节点，该节点能够收集射频能量、主动发射数据、反向衍射数据并接受其他节点的衍射信息，当网络中一个节点在进行主动通信时，其他的节点可以利用反向衍射通信进行信息交流，特别是能量比较低的节点。这样，可以提高能量较低节点的数据传输量。
附图说明
图1为本发明的节点示意图；
图2为本发明的基于反向衍射通信的射频充电网络以及调度过程示意图；
图3为本发明的优化后的网络调度示意图；
图4为本发明的使用反向衍射通信与不使用反向衍射通信的网络最大最小数据传输速率的仿真实验对比图；
图5为本发明的反向衍射通信模型示意图。
具体实施方式
实施例1：如图1至图5所示的一种基于反向衍射通信的射频充电网络数据优化方法，如图1所示，包括节点，所述节点包括天线，所述天线连接射频能量收集模块、反向衍射解调模块、反向衍射调制模块与射频发射模块四个模块，所述节点通过射频能量收集模块收集射频能量存储于能量存储模块中供控制器、数据存储模块、数据采集模块与其他系统模块使用，能量存储模块中的能量足够多时，能量存储模块中的能量使用射频发射模块提供节点通信，能量存储模块中的能量不足时，可以在其他相近的模块进行主动传输，利用反向衍射通信进行传输。
如图5所示，将一个充电和传输过程分为三个时间段，首先是充电，然后是传输，最后是转送，假设节点C和D没有获取到能量，A,B和E节点的能量标注为黑色方块，此时，节点A在向数据中心传输时，C可以将数据利用反向衍射传输到B，反之亦然，当B向数据中心传输时，节点D可以将数据反向衍射到A，最后，在转送阶段，节点A和B将接收到的来自C和D的数据传输到数据中心。这样即可增加C和D的数据量。注意，当不考虑反向衍射通信时，该网络的最大最小数据为0。这是由于C和D没有足够的能量使用主动RF通信。
某个所述节点能量不足时，可以与相邻节点进行被动传输，在确定哪些节点可以使用反向衍射的方式来进行传输时，假设ζ为节点反向衍射的阈值，当入射射频能量大于该阈值时，节点可以进行反向衍射；假设节点的主动射频传输功率为p，两个节点间的信道损耗由g表示，则当节点k进行主动传输时，节点i的入射能量需满足以下公式才能进行反向衍射通信：pgki≥ζ。
当节点k进行主动传输时，得到所有的可以进行反向衍射通信的节点，以及他们的目标节点，假设反向衍射的通信距离为r，两点间的直线距离由d表示，则所有的反向衍射通信链路(l，j)以及它们的集合Bk为：
该公式中，I表示所有的节点，l和j分别表示反向衍射的起始节点和目标节点。根据链路的集合B，我们可以得到各个传输组，即可以同时进行反向衍射的链路，这是为了避免发生数据碰撞：当一个节点正在接收反向衍射通信时，距离该节点的r范围内，最多只能有一个发射端。Gk h来表示当k节点进行主动通信时，第h个传输组。
根据线性规划方法来进行优化，目标方程为最大化最小的数据传输量，规划限制条件为：1、能量限制；2、数据守恒限制。优化变量为：x、节点的主动传输时间；传输组h在节点k传输时的激活时间；z，节点的转送时间长度。优化结束后，数据传输如下图3所示，每个节点轮流激活，同时，需要激活的反向衍射传输组也轮流激活，最后再转送反向衍射的数据。
所述节点k进行主动传输时，可以得到所有的可以进行反向衍射通信的节点，以及他们的目标节点，假设反向衍射的通信距离为r，两点间的直线距离由d表示，则所有的反向衍射通信链路(l，j)以及它们的集合Bk为：该公式中，I表示所有的节点，1和j分别表示反向衍射的起始节点和目标节点，根据链路的集合B，我们可以得到各个传输组，即可以同时进行反向衍射的链路，这是为了避免发生数据碰撞：当一个节点正在接收反向衍射通信时，距离该节点的r范围内，最多只能有一个发射端，使用Gk h来表示当k节点进行主动通信时，第h个传输组。
如图4所示，对比了使用反向衍射通信(backscatter)，以及不使用反向衍射通信(no-backscatter)的网络最大最小数据传输速率，当节点数量增加时，使用反向衍射通信最大可以提高一倍的速率(39个节点时，反向衍射通信为52bits，不使用反向衍射通信为23bits)，当节点数量很少时，比如10个节点，反向衍射通信也能够提高约30％的数据传输量。
本发明提出一种多功能节点，该节点能够收集射频能量、主动发射数据、反向衍射数据并接受其他节点的衍射信息，当网络中一个节点在进行主动通信时，其他的节点可以利用反向衍射通信进行信息交流，特别是能量比较低的节点。这样，可以提高能量较低节点的数据传输量。
以上描述了本发明的基本原理和主要特征，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种基于反向衍射通信的射频充电网络数据优化方法，其特征在于，包括节点，所述节点包括天线，所述天线连接射频能量收集模块、反向衍射解调模块、反向衍射调制模块与射频发射模块四个模块，所述节点通过射频能量收集模块收集射频能量存储于能量存储模块中供控制器、数据存储模块、数据采集模块与其他系统模块使用，能量存储模块中的能量足够多时，能量存储模块中的能量使用射频发射模块提供节点通信，能量存储模块中的能量不足时，可以在其他相近的模块进行主动传输，利用反向衍射通信进行传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于反向衍射通信的射频充电网络数据优化方法，其特征在于，某个所述节点能量不足时，可以与相邻节点进行被动传输，在确定哪些节点可以使用反向衍射的方式来进行传输时，假设ζ为节点反向衍射的阈值，当入射射频能量大于该阈值时，节点可以进行反向衍射；假设节点的主动射频传输功率为p，两个节点间的信道损耗由g表示，则当节点k进行主动传输时，节点i的入射能量需满足以下公式才能进行反向衍射通信：pgki≥ζ。
3.根据权利要求1所述的一种基于反向衍射通信的射频充电网络数据优化方法，其特征在于，所述节点k进行主动传输时，可以得到所有的可以进行反向衍射通信的节点，以及他们的目标节点，假设反向衍射的通信距离为r，两点间的直线距离由d表示，则所有的反向衍射通信链路(l，j)以及它们的集合Bk为：该公式中，I表示所有的节点，l和j分别表示反向衍射的起始节点和目标节点，根据链路的集合B，我们可以得到各个传输组，即可以同时进行反向衍射的链路，这是为了避免发生数据碰撞：当一个节点正在接收反向衍射通信时，距离该节点的r范围内，最多只能有一个发射端，使用Gk h来表示当k节点进行主动通信时，第h个传输组。
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