CN111064286B - 一种基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统和方法。该系统包括能量发射装置，多个无源锚节点和目标节点，其中：所述能量发射装置含有多个天线，具有无线能量发射和反馈数据接收功能；所述目标节点周期性的广播测距信号；所述无源锚节点通过接收所述能量发射装置发送的无线能量作为供电电源，并捕捉待追踪目标节点发送的测距信号，且将目标节点发送的测距信号转化为测距信息回传至所述能量发射装置，进而由所述能量发射装置基于该测距信息定位目标节点的位置。本发明的系统和方法能够控制定位精度和总体功耗，实现功率的按需分配。

Description

一种基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统和方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统和方法。

背景技术

对于基于物联网(IoT)的定位系统来说，延长其生命周期是一个关键问题。特别是在GPS无法到达的环境中，如建筑物、城市峡谷、树冠下或洞穴，物联网设备可以大规模部署在这样广阔的区域，需要足够的能量来维持较长的使用寿命。为了使无线定位系统保持在低能耗模式，研究者们提出了很多节能方案。然而，无论如何设计物联网系统的节能方案，最终都不可避免地会耗尽电池。虽然电池可以更换或充电，但对于在恶劣环境下大规模部署的网络来说，是不方便、昂贵甚至危险的。

近年来，基于射频(RF)的无线功率传输(WPT)技术得到了学术界和工业界的广泛关注。对于功率受限的无线网络或无线传感器网络来说，这是一个很有前途的解决方案。有了WPT，物联网节点可以在没有电池的情况下工作，并且仍然有无限的电源供应。因此，使用WPT可以有效地解决物联网设备的能量瓶颈。在WPT中，一些通信和相关应用出现在最近的工作中。同步无线信息和功率传输(SWIPT)系统采集无线能量，为无线设备供电，以便传输数据。实践证明，许多无线通信系统都可以与无线功率传输技术相结合，有效地优化了MIMO、后向散射技术、基于中继的通信和毫米波传输系统等。除了基础研究外，WPT还被广泛应用于RFID、体域网、地下传感网等通信系统中。因此，WPT是一种很有前途和可行的无线通信和应用解决方案，它将有利于无线定位系统作为一种新型的能源供应商。

目前针对物联网的能量供给技术，主要分为两个方面，一方面是节能技术，另一个方面是采用无线充电技术。目前尽管存在大量的物联网节能技术，但除了采用电力线供电以外，还没有能够保证物联网节点能够持续工作的技术方案。采用无线充电技术为物联网设备充电目前也有很多方案，例如采用磁感应技术、磁耦合技术和微波无线充电技术，但在现有技术还不存在直接针对物联网定位系统的无线充电技术的应用，也不存在针对无线充电定位系统的资源和能量分配方法。

在现有技术中，尽管有很多针对定位系统的节能技术，例如降低采样频率、降低信号发射功率等，在保证一定定位精度的前提下，尽可能的降低系统的总能耗。然而这种方法的固有缺点是电池的容量始终是一个下降的过程，无论采用何种节能技术，最终电池仍然会被耗尽，仍需重新充电或更换电池。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统和方法，能够同时控制系统定位的精度以及总体功耗。

根据本发明的第一方面，提供了一种基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统。该系统包括：能量发射装置，多个无源锚节点和目标节点，其中，所述能量发射装置含有多个天线，具有无线能量发射和反馈数据接收功能；所述目标节点周期性的广播测距信号；所述无源锚节点通过接收所述能量发射装置发送的无线能量作为供电电源，并捕捉待追踪目标节点发送的测距信号，且将目标节点发送的测距信号转化为测距信息回传至所述能量发射装置，进而由所述能量发射装置基于该测距信息定位目标节点的位置。

根据发明的第二方面，提供一种基于无线能量传输驱动的目标被动追踪方法，用于本发明所提供上述系统，该方法包括以下步骤：设计联合系统定位精度和能耗的多目标优化问题；通过求解该优化问题来选择参与定位的无源锚节点并控制分配所选无源锚节点的接收功率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：可以持续地为无线物联网定位系统提供能量，解决了电池瓶颈问题；本发明所提供的功率分配技术，通过调节能量发射装置(E-AP)的信号功率向量，能够控制系统定位的精度以及总体功耗，实现功率的按需分配。

附图说明

以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：

图1是根据本发明的基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统的架构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

在本文示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

本发明提供一种基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统，其是支持无线充电的物联网定位系统，参见图1所示，该系统包括能量发射装置(E-AP)110、多个无源锚节点120和目标节点130(也称为目标或追踪目标)。

能量发射装置110，含有多个天线，具有无线能量发射和反馈数据接收功能，能量发射装置110发送能量至无源锚节点120。

无源锚节点120，也称为参照节点，其位置已知或可测。无源锚节点120是不含有任何电源或电池设备的物联网无线节点，该无源锚节点120通过接收E-AP发送的无线能量作为供电电源，同时捕捉目标节点130发送的信号，并将目标节点130发送的信号转化为测距信息回传至E-AP。E-AP通过接收多个无源锚节点120回传的信号，通过特定的定位算法实时估计目标节点130的位置。

目标节点130的位置不可直接测量，需根据无源锚节点120的位置对目标节点的位置进行估计，因此目标节点的定位方式是被动定位。目标节点130例如是终端或其他类型的无线传感器节点等。

在图1的系统架构下，将无线信号传输(包括能量和测距信号)分为两个部分，第一部分为无线能量传输部分，第二个部分为无线测距信号传输部分，下文将一一进行介绍。

对于无线能量传输部分，E-AP含有K个天线，形成相互正交的信号向量x＝[x₁，...，x_K]^T，其中每个信号的功率为

k指代第k个天线，则信号的功率向量为

系统共含有N个锚节点，从E-AP到无源锚节点的信道矩阵为G＝[g₁，...，g_N]^T，其中每个元素g_kn＝[G]_kn表示从第k个天线到第n个锚节点的信道衰减系数。多个天线到达第n个锚节点的信道衰减系数向量为g_n＝[g_1n，...，g_Kn]。进一步地，定义信道增益

为g_kn的均方，信道增益向量为

对于无线测距信号传输部分，无源锚节点获得E-AP发送的能量后，将捕获目标节点发送的测距信号，并将测距信号转化为测距信息(例如锚节点和目标节点的距离)回传至E-AP，进而E-AP依据这些信息判定目标节点所在位置。例如，目标节点周期的广播测距信号，如RSS信号(接收信号强度信号)，依据RSS信号可以估计锚节点和目标节点之间的距离，进而E-AP可以定位目标节点的位置。

需说明的是，在本发明提供的系统架构下，可采用现有技术中的定位方法进行定位，例如三边定位方法，对于具体的定位过程本发明在此不再赘述。以下将重点介绍提高定位精度和降低系统能耗的具体方案。

在一个实施例中，为了获得最佳的估计精度，采用克拉美罗下届作为系统定位精度的衡量标准，其中克拉美罗下届是费希尔矩阵的逆矩阵，本发明实施例中的费希尔矩阵可以表示为：

其中，

为方向角矩阵，φ为第n个无源锚节点到达目标节点的方向角，β为空间衰减因子，

代表噪声功率，d_n表示目标节点到无源锚节点的实际距离，P_tar表示无源锚节点接收到无线能量的最低门限，若接收功率小于该门限，则该锚节点不工作，否则就被激活，a_n为阶跃函数：

其中，c_n为信道衰减系数，

表示无源锚节点接收到的无线能量。

为了控制各无源锚节点接收到的无线能量并保证系统的定位精度，在一个实施例中，本发明设计求解下列问题：

问题一：

s.t.1^Tr_x≤P₀

其中，P₀为发送信号总功率，

为背景噪声的方差。该问题属于一个0-1规划问题，可以用穷举法求解。

进一步地，由于能耗分配与定位精度分析相对独立，因此可将问题一扩展为多目标优化问题，以进行定位精度和功耗的联合优化，即问题二。

问题二：提升最优定位精度且同时达到最低功耗的多目标优化：

r_x＝min 1^Tr_x

s.t.1^Tr_x≤P₀

问题二的求解分为两个部分，第一步是搜寻满足限定条件的所有无源锚节点，以达到最优的定位精度，第二步是在确定无源锚节点之后，计算其能耗的最小值。

进一步地，针对问题二，为降低计算的复杂度，将目标函数修改为：

问题三：提升最优定位精度且同时达到最低功耗的多目标优化。

r_x＝min 1^Tr_x

s.t.1^Tr_x≤P₀

在一个实施例中，采用以下步骤求解问题三：

将所有无源锚节点赋予权重

并将各无源锚节点根据权重进行降序排列；

按照无源锚节点的排列顺序，对应每个锚节点分别设置为0或1，形成0，1序列。其中，0表示不需要这个节点参与计算，1表示该锚节点将参与计算。这样的组合序列共2^N-1个；

针对每一个序列，设置上述问题三中的受限条件，可采用线性规划方法求解r_x＝min 1^Tr_x。若有可行解，则将该方法记录，否则重新选择新的序列进行计算和排查。

如此循环往复，最终选择定位精度最高的序列和对应的r_x的可行解。

通过上述方式确定的序列以及对应的r_x的可行解，在实际应用中即可选择出参与定位的无源锚节点并控制所选无源锚节点的接收功率，从而在保证定位精度的同时降低整个系统的能耗。

在一个优选实施例中，为了更进一步降低上述问题三的计算复杂度，采用启发式算法进行求解，具体步骤包括：

将所有无源锚节点赋予权重

并将无源锚节点根据权重进行降序排列；

设定将要选择固定数量的无源锚节点N_A，并从无源锚节点中选择权重最大的N_A个节点。在此基础上，采用线性规划方法求解r_x＝min 1^Tr_x。

为验证本发明的效果，经过理论计算和大规模仿真，证明本发明提供的目标被动追踪系统完全不需要电池即可工作，并且定位精度能够随着发射功率的分配得到控制。

综上所述，本发明将无线充电技术应用到物联网定位系统，并同时提供能够提升最优定位精度且同时达到最低功耗的多目标优化。此外本发明针对该多目标优化问题，提出了穷举法和启发式算法，进而降低了计算的复杂度，提高了定位精度和功率按需分配的实时性。

需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机非暂态可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统，包括：能量发射装置，多个无源锚节点和目标节点，其中：

所述能量发射装置含有多个天线，具有无线能量发射和反馈数据接收功能；

所述目标节点周期性的广播测距信号；

所述无源锚节点通过接收所述能量发射装置发送的无线能量作为供电电源，并捕捉待追踪目标节点发送的测距信号，且将目标节点发送的测距信号转化为测距信息回传至所述能量发射装置，进而由所述能量发射装置基于该测距信息定位目标节点的位置；

其中，以系统定位精度和能耗的联合优化为目标来选择参与定位的无源锚节点并控制分配所选无源锚节点的接收功率，并且参与定位的无源锚节点根据目标节点到无源锚节点的实际距离以及无源锚节点接收到无线能量的最低门限进行选择；

其中，将系统定位精度和能耗的联合优化目标设置为：

r_x＝min 1^Tr_x

s.t.1^Tr_x≤P₀

其中，

为方向角矩阵，φ为第n个无源锚节点到达目标节点的方向角，β为空间衰减因子，

为噪声功率，d_n是目标节点到无源锚节点的实际距离，P_tar表示无源锚节点接收到无线能量的最低门限，a_n是用于指示无源锚节点是否激活的阶跃函数，c_n为信道衰减系数，

表示无源锚节点接收到的无线能量，P₀为发送信号总功率，r_x是发送信号的功率向量，N是系统中无源锚节点的数量，K是能量发射装置的天线数量。

2.根据权利要求1所述的基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统，其特征在于，还包括将系统定位精度和能耗的联合优化目标设置为：

r_x＝min 1^Tr_x

s.t.1^Tr_x≤P₀

其中，

为方向角矩阵，φ为第n个无源锚节点到达目标节点的方向角，β为空间衰减因子，

为噪声功率，d_n是目标节点到无源锚节点的实际距离，P_tar表示无源锚节点接收到无线能量的最低门限，a_n是用于指示无源锚节点是否激活的阶跃函数，c_n为信道衰减系数，

表示无源锚节点接收到的无线能量，P₀为发送信号总功率，r_x是发送信号的功率向量，N是系统中无源锚节点的数量，K是能量发射装置的天线数量。

3.根据权利要求2所述的基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统，其特征在于，根据以下步骤求解所述系统定位精度和能耗的联合优化目标：

将系统的所有无源锚节点赋予权重

并将所有无源锚节点按照权重进行降序排列；

按照排列的顺序，对应每个无源锚节点分别设置为0或1，形成0，1序列，其中，0代表不需要该无源锚节点参与计算，1代表该无源锚节点将参与计算；

针对每一个排列序列，设置联合优化目标中的受限条件，进而采用线性规划方法求解r_x＝min 1^Tr_x，最终选择定位精度最高的序列和对应的r_x的可行解，进而获得参与定位的无源锚节点并控制分配所选无源锚节点的接收功率。

4.根据权利要求2所述的基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统，其特征在于，根据以下步骤求解所述系统定位精度和能耗的联合优化目标：

将系统的所有无源锚节点赋予权重

并将所有无源锚节点按照权重进行降序排列；

设定将选择的无源锚节点的数量N_A，从所有无源锚节点中选择权重最大的N_A个节点，并采用线性规划方法求解r_x＝min 1^Tr_x，进而获得参与定位的无源锚节点并控制分配所选无源锚节点的接收功率。

5.根据权利要求1所述的基于无线能量传输驱动的目标被动追踪系统，其特征在于，通过求解以下优化问题来确定参与定位的无源锚节点并控制分配所选无源锚节点的接收功率：

s.t.1^Tr_x≤P₀

其中，

为方向角矩阵，φ为第n个无源锚节点到达目标节点的方向角，β为空间衰减因子，

为噪声功率，d_n是目标节点到无源锚节点的实际距离，P_tar表示无源锚节点接收到无线能量的最低门限，a_n是用于指示无源锚节点是否激活的阶跃函数，c_n为信道衰减系数，

表示无源锚节点接收到的无线能量，P₀为发送信号总功率，r_x是发送信号的功率向量，N是系统中无源锚节点的数量，K是能量发射装置的天线数量。

6.一种基于无线能量传输驱动的目标被动追踪方法，用于权利要求1所述的系统，包括以下步骤：

设计联合系统定位精度和能耗的多目标优化问题；

通过求解该优化问题来选择参与定位的无源锚节点并控制分配所选无源锚节点的接收功率。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现根据权利要求6所述的方法的步骤。

8.一种电子设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求6所述的方法的步骤。

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