CN110932419B - 可控智能面辅助能量传输的装置及其传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线能量传输技术领域，提供一种可控智能面辅助能量传输的装置及其传输方法。首先，所有所述接收终端传输正交导频信号，每个所述可控智能面估计所有接收终端到自身的信道信息；所有所述可控智能面发送正交导频信号，所述能量站能够估计所有所述可控智能面到其每根天线的信道；其次，所有所述可控智能面及所述能量站交换大尺度信道信息，所述可控智能面利用估计的信道信息进行自身需要的相位角度和所述能量站需要的预编码系数计算；最后，能量站利用构造的预编码，辐射信号给可控智能面，而所有接收终端进行能量收集。本发明利用可控智能面改变信号的传输路径，实现遮挡用户的能量传输。

Description

可控智能面辅助能量传输的装置及其传输方法

技术领域

本发明属于无线能量传输技术领域，涉及一种可控智能面辅助能量传输的装置及其传输方法。

背景技术

目前基于射频的无线能量传输技术应用受到一定的限制，一方面由于空间传播环境复杂，当存在物体遮挡等影响时，终端接收到的信号能量较低；另一方面如何利用高增益的可控智能面改善能量传输的效果，也有待深入研究。首先如何进行发射端预编码设计和可控智能面的相位调控，以改善能量传输效果，值得深入研究；其次如何联合应用多个可控智能面进行协作控制信号的相位，以提升能量传输效果，也有待深入探索。因此，在多个可控智能面的辅助下，当能量站给多个用户传输能量时，如何进行能量源站预编码设计及可控智能面的相位设计，保证用户间能量收获的公平性与能量传输效率，亟待解决。

基于现有技术存在的上述技术问题，本发明提出一种可控智能面辅助能量传输的装置及其传输方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可控智能面辅助能量传输的装置及其传输方法，利用可控智能面改变信号的传输路径，实现遮挡用户的能量传输。

本发明是通过如下的技术方案实现的：

一种可控智能面辅助能量传输装置，包括：

能量站：用于将能量进行无线发送；

接收终端：用于接收所述能量；

可控智能面：连接于所述能量站和所述接收终端之间，以改变能量站发送的能量信号的传输路径或传输方向，进而实现能量站与能量收获用户间存在遮挡场景下的能量传输。

进一步地，为实现高增益的信号操控，所述可控智能面包括若干人造面，一方面能够用于调控发射载波，在发送端实现发射机的作用；另一方面能够放置在通信的无线环境中，操控信号的反射和散射方向，实现控制信道影响的作用。

进一步地，所述可控智能面能够通过改变相位、振幅、频率，有效控制无线电波的散射、反射和折射特性。

进一步地，所述能量站装备有大规模天线。

本发明另提供一种可控智能面辅助能量传输装置的传输方法，包括：

步骤1：信道信息获取；

步骤1.1：接收终端传输正交导频信号至可控智能面；

步骤1.2：所述可控智能面根据所述正交导频信号计算所述接收终端到所述可控智能面信道信息，进而利用时分双工系统的信道互易性得到可控智能面到接收终端的信道信息；

步骤1.3：能量站根据所述可控智能面发射的所述正交导频信号计算所述可控智能面到所述能量站的信道信息，进而利用时分双工系统的信道互易性得到能量站到可控智能面的信道信息；

步骤2：所述可控智能面和所述能量站交换大尺度信道信息；

步骤3：所述可控智能面利用计算的信道信息进行自身需要的相位角度和所述能量站需要的预编码系数计算，并将所述预编码系数传输给所述能量站；

步骤4：所述能量站通过信道信息及所述可控智能面传递的预编码系数进行预编码构造；

步骤5：所述能量站利用构造的预编码，辐射信号给所述可控智能面，同时所述可控智能面利用计算的相位角度进行信号相位的控制，所述接收终端进行能量收集。

进一步地，所述接收终端到所述可控智能面信道信息表示为：

式1中，k表示接收终端索引；K表示接收终端的总数目；l表示可控智能面的索引；L表示可控智能面的总数目；h_lk表示小尺度衰落向量；δ_lk表示大尺度衰落；进而利用时分双工系统的信道互易性得到所述可控智能面到所述接收终端的信道信息，即得到从第l个所述可控智能面到第k个接收终端的信道：

式2中，h_lk ^T＝[h_lk1,h_lk2,…,h_lkN]是第l个可控智能面到第k个接收终端的小尺度衰落向量。

进一步地，所述可控智能面到所述能量站的信道信息表示为：

式3中，

表示大尺度衰落；e_ln表示小尺度衰落向量；n和N表示可控智能面中具体的人造面的索引及总数目；进而利用时分双工系统的信道互易性得到所述能量站到所述可控智能面的信道信息，即能量站到第l个可控智能面的第n个人造面的信道信息为：

式4中，e_ln ^T＝[e_ln1,e_ln2,…,e_lnM]是能量站到第l个可控智能面的第n个人造面的小尺度衰落向量。

进一步地，步骤2中，每个所述可控智能面及所述能量站之间相互交换大尺度信道信息，根据大尺度信息计算所述可控智能面服务所述接收终端的情况：

式5中，1代表所述第l个可控智能面服务第k个接收终端；0代表不服务；I_lk表示第l个可控智能面服务第k个接收终端的情况；l表示可控智能面索引；l_k表示服务第k个接收终端的可控智能面索引；δ_lk表示大尺度衰落；

表示大尺度衰落；

表示获取使得

取得最大值的可控智能面索引操作。

进一步地，步骤3中，所述可控智能面计算的预编码系数计算表示为：

进而计算所述能量站需要的预编码系数计算表示为：

其中，||·||代表向量的二范数；h_lkn代表第l个所述可控智能面的第n个人造面到第k个接收终端的小尺度衰落。

进一步地，步骤4中，根据所述能量站到所述可控智能面的信道信息和所述能量站需要的预编码系数计算所述能量站的预编码：

式8中，

代表小尺度衰落向量的共轭；其中，预编码系数α_l为：

进而，所述能量站发送信号为：

式10中，u为发送的调制符号且满足|u|＝1，

为发射功率，p为功率常数，M表示每个基站端配有天线数，N表示每个可控智能面配有人造面个数。

进一步地，步骤3中，第l个所述可控智能面经过的信号表示为：

式11中，

表示第l个所述可控智能面的第n个人造面经过的信号，所述可控智能面根据所述可控智能面计算的预编码系数及所述可控智能面到所述接收终端的信道信息计算所述可控智能面的相位角度：

式12中，∠(·)代表求括号内复数的角度操作，则信号经过第l个所述可控智能面后的信号表示为：

式13中，

表示信号经过第l个所述可控智能面后相位的变化，所述第k个接收终端收到的信号表示为：

式14中，n_k表示所述第k个接收终端接收到的高斯白噪声，表示为：

式15中，CN表示复高斯分布，

是所述第k个接收终端处的噪声功率；

所述接收终端每秒收获的能量表示为：

Q_k＝η_k||z_k||²……(16)，

式16中，η_k为终端用户能量收获的效率。

进一步地，当所有终端能量收获效率为η_k＝η且噪声功率为

时，所有用户收获近似相同的能量，即：

本发明的有益效果是：

1、本发明的技术方案将可控智能面引入到能量传输系统中，可以改变无线信号传输的路径和方向，进而可以实现能量站与能量收获用户间存在遮挡场景下的能量传输；

2、本发明的技术方案将多个可控智能面协作辅助能量站能量传输，能量站大规模天线及大规模人造面组成的可控智能面有利于增强终端能量收获的效果，提高能量传输的效率；

3、本发明的技术方案所提出的预编码方案充分考虑了信号由能量站到智能面再到用户的信号衰落，在保证能量收获用户间公平性下，可以改善系统的能量传输效率。

附图说明

图1为本发明实施例中可控智能面辅助的能量传输的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

一种可控智能面辅助能量传输装置，包括：

能量站：用于将能量进行无线发送；

接收终端：用于接收所述能量；

可控智能面：连接于所述能量站和所述接收终端之间，以改变能量站发送的能量的传输路径和传输方向，进而能够实现所述能量站与所述接收终端间存在遮挡场景下的能量传输。

在本实施例中，为实现高增益的信号操控，所述可控智能面包括若干人造面，一方面能够用于调控发射载波，在发送端实现发射机的作用；另一方面能够放置在通信的无线环境中，操控信号的反射和散射方向，实现控制信道影响的作用。

所述能量站装备有大规模天线。

所述可控智能面辅助能量传输装置的应用过程如下：

首先，所有所述接收终端传输正交导频信号，每个所述可控智能面估计所有接收终端到自身的信道信息，包括大尺度衰落和小尺度衰落；所有所述可控智能面发送正交导频信号，所述能量站能够估计所有所述可控智能面到其每根天线的信道，包括大尺度和小尺度衰落；其次，所有所述可控智能面及所述能量站交换大尺度信道信息，所述可控智能面利用估计的信道信息进行自身需要的相位角度和所述能量站需要的预编码系数计算，且将预编码系数传输给所述能量站，所述能量站利用估计的信道信息及所述可控智能面传递的预编码系数进行预编码构造；最后，能量站利用构造的预编码，辐射信号给可控智能面，同时所述可控智能面利用计算的相位角度进行信号相位的控制，而所有接收终端进行能量收集。

一种可控智能面辅助能量传输装置的传输方法，包括：

步骤1：信道信息获取；

步骤1.1：接收终端传输正交导频信号至可控智能面；

步骤1.2：所述可控智能面根据所述正交导频信号计算所述接收终端到所述可控智能面信道信息，进而利用时分双工系统的信道互易性得到可控智能面到接收终端的信道信息；

步骤1.3：能量站根据所述可控智能面发射的所述正交导频信号计算所述可控智能面到所述能量站的信道信息，进而利用时分双工系统的信道互易性得到能量站到可控智能面的信道信息；

步骤2：所述可控智能面和所述能量站交换大尺度信道信息；

步骤3：所述可控智能面利用计算的信道信息进行自身需要的相位角度和所述能量站需要的预编码系数计算，并将所述预编码系数传输给所述能量站；

步骤4：所述能量站通过信道信息及所述可控智能面传递的预编码系数进行预编码构造；

步骤5：所述能量站利用构造的预编码，辐射信号给所述可控智能面，同时所述可控智能面利用计算的相位角度进行信号相位的控制，所述接收终端进行能量收集。

在本实施例中，如图1所示，利用L个可控智能面，布置大规模MIMO的能量站利用空分复用同时同频服务K个能量请求用户(即接收终端)，能量站、可控智能面和用户均工作在时分双工模式。每个能量站端都配有M根天线，每个可控智能面配有N个人造面，每个能量请求用户都配置单根能量接收天线，从第k个用户到第l个可控智能面的N个人造面的信道表示为

而从第l个可控智能面到能量站的M根天线的信道表示为

且所有用户信道之间是相互独立的，其中，实数δ_lk和

是大尺度衰落，与网络中的天线增益、系统的载波频率以及可控智能面与能量站(或可控智能面与用户)间的距离和阴影衰落有关；复向量h_lk＝[h_lk1,h_lk2,…,h_lkN]^T和e_ln＝[e_ln1,e_ln2,…,e_lnM]^T是小尺度衰落向量，其中每个元素都独立服从均值为0及方差为1的复高斯分布。

在本实施例的步骤1中，可控智能面信道信息获取：每个可控智能面根据用户传输的导频信息估计用户到可控智能面的信道

进而利用时分双工系统的信道互易性得到可控智能面到用户的信道信息，即得到从第l个可控智能面到用户k的信道为

能量站信道信息获取：能量站根据每个可控智能面中的人造面发射的导频信息估计可控智能面到能量站的信道

进而利用时分双工系统的信道互易性得到能量站到可控智能面中人造面的信道信息，即能量站到第l个可控智能面的第n个人造面的信道为

在本实施例的步骤2中，大尺度信息交互与接入计算：可控智能面及能量站间交互大尺度信道信息，每个可控智能面及所述能量站之间相互交换大尺度信道信息，根据大尺度信息计算所述可控智能面服务所述接收终端的情况：

其中，“1”代表所述第l个可控智能面服务第k个接收终端；“0”代表不服务；I_lk表示第l个可控智能面服务第k个接收终端的情况；l表示可控智能面索引；l_k表示服务第k个接收终端的可控智能面索引；δ_lk表示大尺度衰落；

表示大尺度衰落；

表示获取使得

取得最大值的可控智能面索引操作。

在本实施例的步骤3中，可控智能面计算并反馈预编码系数：

进而计算能量站需要的部分预编码系数：

并反馈β_ln给能量站备用，其中||·||代表向量的二范数；h_lkn代表第l个所述可控智能面的第n个人造面到第k个接收终端的小尺度衰落。

可控智能面调控相位：第l个可控智能面经过的信号表达为：

其中，

表示第l个所述可控智能面的第n个人造面经过的信号；

可控智能面根据χ_lk及信道估计得到的

计算调控的相位：

其中∠(·)代表求括号内复数的角度操作；

因此，信号经过第l个可控智能面后的信号表示为：

其中，

表示信号经过第l个所述可控智能面后相位的变化。

在本实施例的步骤4中，能量站产生预编码及发射信号：根据估计得到的信道信息

以及交互所得到的参数信息β_ln生成能量站的预编码：

其中，

代表小尺度衰落向量的共轭；预编码系数αl为：

进而产生发送信号：

其中u为发射的调制符号且满足|u|＝1，

为发射功率，而p为功率常数，M表示每个基站端配有天线数，N表示每个可控智能面配有人造面个数。

在本实施例的步骤5中，终端用户收到的信号：用户接收到的信号写为：

其中

是接收端的高斯白噪声，CN表示复高斯分布，

是第k个接收终端处的噪声功率。

终端用户收获的能量：接收信号经过能量收获模块后，每秒收获的能量为：

Q_k＝η_k||z_k||²，

其中η_k为终端用户能量收获的效率。

当所有终端能量收获效率为η_k＝η且噪声功率为

时，所有用户收获近似相同的能量，即：

在本实施例中，能量站利用M＝256根天线和p＝45dBW进行信号发射，并通过L＝2个可控智能面控制信号的传播路径，其中，每个可控智能面由N＝100个人造面组成，分别为可控智能面1和可控智能面2，进而服务K＝3个能量收获用户(即接收终端)，分别为用户1、用户2和用户3，用户的能量收获效率为η＝0.8，能量站与可控智能面的距离均为8m(大尺度衰落为

)，而用户1与可控智能面的距离为2m和6m(大尺度衰落为δ₁₁＝10^-32^-3,δ₂₁＝10^-36^-3)，用户2与可控智能面的距离为5m和2m(大尺度衰落为δ₁₂＝10^-35^-3,δ₂₂＝10^-32^-3)；用户3与可控智能面的距离为7和2m(大尺度衰落为δ₁₂＝10^-37^-3,δ₂₂＝10^-32^-3)。小尺度衰落向量元素服从均值为0及方差为1的复高斯分布。

由此，(1)可控智能面1：根据大尺度衰落可以计算得到用户1由可控智能面1服务(即I₁₁＝1,I₁₂＝0,I₁₃＝0)，根据公式可以计算得到相关参数为：

(2)可控智能面2：根据大尺度衰落可以计算得到用户2和3由可控智能面2服务(即I₂₁＝0,I₂₂＝1,I₂₃＝1)，根据公式可以计算得到相关参数为：

(3)能量站：能量站可以计算部分预编码系数为：

进而可以得到能量站的预编码为：

(4)用户终端：忽略噪声功率，依据上述计算参数可以得到终端的能量收获约为:

Q＝3.14dBm。

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，本发明还会有各种改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims (7)

1.一种可控智能面辅助能量传输装置的传输方法，其特征在于，

包括：

步骤1：信道信息获取；

步骤1.1：接收终端传输正交导频信号至可控智能面；

步骤1.2：所述可控智能面根据所述正交导频信号计算所述接收终端到所述可控智能面信道信息；

步骤1.3：能量站根据所述可控智能面发射的所述正交导频信号计算所述可控智能面到所述能量站的信道信息；

步骤2：所述可控智能面和所述能量站交换大尺度信道信息；

步骤3：所述可控智能面利用计算的信道信息进行自身需要的相位角度和所述能量站需要的预编码系数计算，并将所述预编码系数传输给所述能量站；

步骤4：所述能量站通过信道信息及所述可控智能面传递的预编码系数进行预编码构造；

步骤5：所述能量站利用构造的预编码，辐射信号给所述可控智能面，同时所述可控智能面利用计算的相位角度进行信号相位的控制，所述接收终端进行能量收集。

2.根据权利要求1所述的可控智能面辅助能量传输装置的传输方法，其特征在于，所述接收终端到所述可控智能面信道信息表示为：

式1中，k表示接收终端索引；K表示接收终端的总数目；l表示可控智能面的索引；L表示可控智能面的总数目；h_lk表示小尺度衰落向量；δ_lk表示接收终端到所述可控智能面信道的大尺度衰落；进而利用时分双工系统的信道互易性得到所述可控智能面到所述接收终端的信道信息，即得到从第l个所述可控智能面到第k个接收终端的信道：

式2中，h_lk ^T＝[h_lk1,h_lk2,…,h_lkN]是第l个可控智能面到接收终端索引k的小尺度衰落向量，h_lk1是第l个可控智能面中索引为1的人造面到用户k的小尺度衰落，N是可控智能面中具体人造面的总数目。

3.根据权利要求2所述的可控智能面辅助能量传输装置的传输方法，其特征在于，所述可控智能面到所述能量站的信道信息表示为：

式3中，

表示可控智能面到所述能量站信道的大尺度衰落；e_ln表示可控智能面到所述能量站信道的小尺度衰落向量；n和N表示可控智能面中具体的人造面的索引及总数目；进而利用时分双工系统的信道互易性得到所述能量站到所述可控智能面的信道信息，即能量站到可控智能面的信道信息为：

式4中，e_ln ^T＝[e_ln1,e_ln2,…,e_lnM]是能量站到第l个可控智能面的第n个人造面的小尺度衰落向量，M是每个能量站的天线总数，e_lnM是能量站中索引为M的天线到第l个可控智能面的第n个人造面的小尺度衰落。

4.根据权利要求3所述的可控智能面辅助能量传输装置的传输方法，其特征在于，步骤2中，每个所述可控智能面及所述能量站之间相互交换大尺度信道信息，根据大尺度信息计算所述可控智能面服务所述接收终端的情况：

式5中，“1”代表所述第l个可控智能面服务第k个接收终端；“0”代表不服务；I_lk表示第l个可控智能面服务第k个接收终端的情况；l表示可控智能面索引；l_k表示服务第k个接收终端的可控智能面索引；δ_lk表示接收终端到所述可控智能面信道的大尺度衰落；

表示可控智能面到所述能量站信道的大尺度衰落；

表示获取使得

取得最大值的可控智能面索引操作。

5.根据权利要求4所述的可控智能面辅助能量传输装置的传输方法，其特征在于，步骤3中，所述可控智能面计算的预编码系数计算表示为：

进而计算所述能量站需要的预编码系数计算表示为：

其中，||·||代表向量的二范数；h_lkn代表第l个所述可控智能面的第n个人造面到第k个接收终端的小尺度衰落。

6.根据权利要求5所述的可控智能面辅助能量传输装置的传输方法，其特征在于，步骤4中，根据所述能量站到所述可控智能面的信道信息和所述能量站需要的预编码系数计算所述能量站的预编码：

式8中，

代表小尺度衰落向量的共轭；其中，预编码系数α_l为：

进而，所述能量站发送信号为：

式10中，u为发送的调制符号且满足|u|＝1，

为发射功率，p为功率常数，M表示每个基站端配有天线数，N表示每个可控智能面配有人造面个数。

7.根据权利要求6所述的可控智能面辅助能量传输装置的传输方法，其特征在于，步骤3中，第l个所述可控智能面经过的信号表示为：

式11中，

表示第l个所述可控智能面的第n个人造面经过的信号，所述可控智能面根据所述可控智能面计算的预编码系数及所述可控智能面到所述接收终端的信道信息计算所述可控智能面的相位角度：

式12中，∠(·)代表求括号内复数的角度操作，则信号经过第l个所述可控智能面后的信号表示为：

式13中，

表示信号经过第l个所述可控智能面后相位的变化，所述第k个接收终端收到的信号表示为：

式14中，n_k所述第k个接收终端接收到的高斯白噪声，表示为：

式15中，CN表示复高斯分布，

是所述第k个接收终端处的噪声功率；

所述接收终端每秒收获的能量表示为：

Q_k＝η_k||z_k||² (16)，

式16中，η_k为终端用户能量收获的效率。

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