CN111132333A

CN111132333A - 无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置及方法

Info

Publication number: CN111132333A
Application number: CN201911279087.XA
Authority: CN
Inventors: 李方伟; 袁小扣; 吴玥; 吴生金; 冯叶青
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: CN111132333B

Abstract

本发明属于无线能量传输技术领域，提出无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置及方法；所述装置包括时间分阶模块将无线供电网络中的时间周期分为三个阶段；下行能量收集模块在下行能量传输阶段从混合接入点发送的射频信号中获取能量并存储；时间反演探测模块在时间反演探测阶段对探测到的信道脉冲响应进行时间反演；上行信息传输模块在上行信息传输阶段利用获取到的能量进行上行数据传输；时间分配模块采用与各个阶段对应的分配方式进行时间分配。本发明利用时间反演特有的空时聚焦性抑制干扰；采用分段进行时间分配，以最大化系统吞吐量为目标，设置优化目标函数；通过结合二分法，求出最优解。本发明可以有效地抑制干扰，提升系统性能。

Description

无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置及方法

技术领域

本发明涉及无线能量传输技术领域，特别涉及一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置及方法。

背景技术

无线能量传输技术(Wireless Energy Transfer,WET)是能量收集技术的一种，能够为无线设备提供持续而稳定的能量。在无线能量传输技术发展的基础上，无线供电通信网(Wireless Powered Communication Network,WPCN)进而产生，它能够解决无线通信设备的能量受限问题。在该系统中无线通信设备可以将接收到的射频信号转化为能量，并利用转化的能量来与其他的设备进行通信。近年来，随着物联网的快速发展，越来越多的学者倾向于研究如何利用无线能量传输技术来支持规模更大、应用场景更复杂、QoS保障更严格的无线通信网络。

在多用户无线供电网络中存在多种干扰影响系统性能，采用时分多址(TimeDivision Multiple Access,TDMA)接入方式能有效解决用户间干扰问题，空分多址(SpaceDivision Multiple Access,SDMA)接入方式在干扰增多的情况下也进一步提升了系统吞吐量。随着接入方式的变化，系统的时间分配方式也随之改变。针对无线供电通信网的时间分配问题，研究人员提出采用TDMA接入方式，基于用户公共吞吐量最大的时间分配算法，发现了多用户无线通信网中存在的“双重远近”问题。针对分布式大规模MIMO-WPCN系统的时间分配问题，提出了基于最大能量效率的迭代算法。在MU-WPCN系统中联合时间和功率分配算法最大化系统速率。

上述时间分配方案没有仔细考虑上行传输干扰以保障用户上行传输信息的准确性，同时考虑到上行信息传输过程中存在用户间干扰，影响系统吞吐量，导致系统信息传输速率较慢。

发明内容

针对多用户无线供电网络上行信息传输过程中存在用户间干扰，影响系统吞吐量这个问题。本发明结合时间反演技术，提出一种以无线供电网络吞吐量最大为目标的时间分配方法。首先利用时间反演特有的空时聚焦性抑制干扰；然后分段进行时间分配，以最大化系统吞吐量为目标，设置优化目标函数；最后，通过逐次优化变量将非凸函数进行凸优化转换，结合二分法，求出最优解。通过理论推导出用户平均吞吐量和系统总吞吐量，并进行了蒙特卡罗仿真。仿真结果表明，所提方案可以有效地抑制干扰，提升系统性能。

为了解决这一问题，本发明引入了时间反演(Time Reversal,TR)技术，利用其特性获取信道状态信息并抑制上行传输干扰。研究表明时间反演技术是物联网的一种有前景的研究方向，同时可以用于能量收集系统中。将时间反演技术与能量收集技术结合，在主动窃听条件下，时间反演技术可以有效降低系统误码率。时间反演技术具有“隧道效应”，在云无线接入网的上行传输过程中能够有效抑制干扰，提升系统吞吐量。

针对多用户无线供电通信网上行信息传输过程中存在用户间干扰，影响系统吞吐量这个问题，本发明提出结合时间反演技术，提出一种以无线供电网络吞吐量最大为目标的时间分配方法。主要包括两个部分：第一部分首先将系统一个时间周期分为三个阶段，然后利用时间反演技术获取信道信息并抑制用户上行传输干扰，提升系统容量。第二部分采用时间分配算法对能量传输阶段、时间反演探测阶段和信息传输阶段的时间进行分配，在保障用户服务质量需求的同时，使系统总吞吐量最大。

基于上述构思，本发明提出的一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置，所述装置包括：

时间分阶模块，用于将无线供电网络中的时间周期分为三个阶段，包括下行能量传输阶段、时间反演探测阶段和上行信息传输阶段；

下行能量收集模块，用于在下行能量传输阶段从混合接入点发送的射频信号中获取能量并存储；

时间反演探测模块在时间反演探测阶段对探测到的信道脉冲响应进行时间反演；

可选的，向混合接入点发送时间反演探测信号，获取信道脉冲响应h(t)，经过时间反演镜(即对信道脉冲响应h(t)进行反转变成了h(-t))对信道脉冲响应进行时间反演。

上行信息传输模块，用于在上行信息传输阶段利用获取到的能量进行上行数据传输；

时间分配模块，用于采用与各个阶段对应的分配方式进行时间分配。

进一步，基于与本发明创造同一构思，本发明还提出了一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配方法，所述方法包括以下步骤：

步骤101：将无线供电网络的任意一个或多个时间周期分为下行能量传输阶段、时间反演探测阶段和上行信息传输阶段；

步骤102：以最大化系统吞吐量为目标，对所述下行能量传输阶段、所述时间反演探测阶段、所述上行信息传输阶段或其组合分别构建出优化目标函数；通过对各个优化目标函数逐次进行优化，从而优化各个阶段的变量，并将其中的非凸函数进行凸优化转换；

步骤103：结合二分法，根据上述优化目标函数求解出无线供电网络中下行能量传输阶段、时间反演探测阶段和上行信息传输阶段的最优时间分配。

本发明的有益效果：

1、本发明引入了时间反演技术利用其特有的空时聚焦性有效抑制了上行传输干扰，保障了用户上行传输信息的准确性；

2、本发明以最大化系统吞吐量为目标，设置优化目标函数；先求出时间反演探测阶段的最优解，更新目标函数；通过逐次优化变量将非凸函数进行凸优化转换，增加了用户上行传输信息的准确性；

3、采用二分法对基于优化目标函数求解出上行信息传输时间的最优解进行迭代计算，最终计算出符合实际效力的无线供电网络中下行能量传输阶段、时间反演探测阶段和上行信息传输阶段的最优时间分配。

附图说明

图1本发明多用户无线供电网络模型图；

图2是本发明无线供电网络中基于时间反演的时间分配优化装置的结构图；

图3是本实施例的时间分配模块的结构图；

图4是另一个实施例的时间分配模块的结构图；

图5是本发明逐次递进单元的结构图；

图6是本发明计算单元的结构图；

图7是本发明无线供电网络中基于时间反演的时间分配优化方法流程图；

图8是本发明与现有方案用户平均吞吐量随用户数变化的仿真对比图；

图9是本发明用户到无线接入点的距离与吞吐量的关系图；

图10是本发明探测时间与吞吐量的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施案例对本发明做进一步详细说明。

图1给出了本发明多用户无线供电网络模型图，具体包括：

由一个混合接入点(Hybrid Access Point,H-AP)和N个用户组成。混合接入点支持无线传能同时也能收发信息，用户通过能量收集将获得的射频信号转化为能量后才能进行上行信息传输，其中混合接入点和用户均为单天线。均匀虚线表示下行能量传输，此时混合接入点向用户发送射频信号；点虚线表示时间反演阶段混合接入点向用户发送探测信号；实线表示用户接收到探测信号后，向混合接入点上行传输信息。

作为一种可实现方式，本实施例采用空分多址接入方式，即所有用户在收到探测信号后利用收集到的能量同时向混合接入点发送信息，当然也可以采用其他适用的接入方式。

如图2所示，本实施例提供一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置，所述装置包括：

在一个实施例中，如图3所示，所述时间分配模块包括：

第一优化函数构建单元，用于以最大化系统吞吐量为目标，构建出基于各个阶段所分配的时间的优化目标函数；

第一计算单元，用于根据优化目标函数计算出各个阶段的最优分配时间；

第一分配单元，用于根据计算单元所计算出的各个阶段的时间，对下行能量收集阶段、时间反演探测阶段以及上行信息传输阶段进行分配。

在另一个实施例中，如图4所示，所述时间分配模块还包括：优化函数构建单元，用于以最大化系统吞吐量为目标，构建出基于各个阶段所分配的时间的优化目标函数；

第二优化函数构建单元，用于以最大化系统吞吐量为目标，构建出基于各个阶段所分配的时间的优化目标函数；

逐次递进单元，用于固定其余两个阶段分配的时间，逐次将各个阶段所分配的时间的优化目标函数进行调整；

第二计算单元，用于根据凸优化后的优化目标函数计算出各个阶段的最优分配时间；

第二分配单元，用于根据计算单元所计算出的各个阶段的时间，对下行能量收集阶段、时间反演探测阶段以及上行信息传输阶段进行分配。

在一个实施例中，如图5所示，所述逐次递进单元包括：

第一递进单元，用于固定下行能量传输阶段和上行信息传输阶段分配的时间；构建基于时间反演探测阶段分配时间的第一目标函数；

第二递进单元，基于所述第一递进单元的目标函数，固定下行能量传输阶段分配的时间，构建基于上行信息传输阶段分配时间的第二目标函数；

第三递进单元，基于所述第二递进单元的第二目标函数，将所述第二目标函数进行凸优化转换，构建出基于下行能量传输阶段和上行信息传输阶段分配时间的第三目标函数。

可以理解的是，本实施例中，针对每一个目标函数，即采用一个递进单元，在实际过程，所述逐次递进单元还可以包括第四递进单元和第五递进单元，用于对应各个目标函数，对应第四目标函数和第五目标函数等等，该目标函数可以是第一与第二或者第二与第三目标函数的中间目标函数，也可以是采用其他计算方式计算出的目标函数。

作为一个实施例，所述第三递进单元包括采用拉格朗日乘子法和KKT条件，将第二目标函数进行转化，生成第三目标函数。

作为另一个实施例，所述第三递进单元还包括采用投影梯度下降和交替最小化的方式将第二目标函数进行转化，生成第三目标函数。

在一个实施例中，所述计算单元可以为第一计算单元或第二计算单元，具体的，所述计算单元调用第一目标函数，计算出时间反演探测阶段所分配的时间，采用二分法，设置上行信息传输与下行能量收集所分配时间之和的上、下界；调用第二目标函数，计算出上行信息传输所分配的时间；调用第三目标函数，计算出下行能量收集所分配的时间。

在一个实施例中，如图6所示，所述计算单元包括：

第一判断单元，用于判断第三目标函数值的大小；

第二判断单元，用于判断上界与下界之差是否满足收敛条件；

迭代子单元，用于根据第一判断单元和第二判断单元的判断结果，依次执行调用第二和第三目标函数。

具体包括按照求解出的时间反演探测阶段的最优分配时间(τ^tr)^*，划分上行信息传输与下行能量收集所分配时间之和t的上界t^up＝1-(τ^tr)^*；将上行信息传输与下行能量收集所分配时间之和t的下界设置为t^low＝0；并设置误差门限μ；采用二分法，令时间之和t＝(t^up+t^low)/2；将时间之和t代入上行信息传输时间的最优解函数中，计算出上行信息传输所分配时间的最优解；将求出的上行信息传输阶段所分配时间的最优解以及时间之和t代入凸优化转换后最终的目标函数中，该求出目标函数值C(t)；第一判断单元判断C(t)>C(t^up)是否成立，若成立，则令t^up＝t，第一判断单元继续判断C(t)<C(t^low)是否成立，若成立，则令t^low＝t；第二判断单元判断迭代是否满足收敛条件t^up-t^low≤μ，若满足收敛条件，迭代子单元令流程返回继续令时间之和t＝(t^up+t^low)/2；否则输出当前迭代中所计算出的下行能量传输阶段、时间反演探测阶段和上行信息传输阶段的最优时间分配。

如图7所示，基于与本发明的同一构思，本发明无线供电网络中基于时间反演的时间分配优化方法，包括以下步骤：

在一个实施例中，所述步骤101将多用户无线供电网络的一个时间周期分为下行能量传输阶段、时间反演探测阶段和上行信息传输阶段包括：

多用户无线供电网络由一个混合接入点(Hybrid Access Point,H-AP)和N个用户组成。混合接入点支持无线传能同时也能收发信息，用户通过能量收集将获得的射频信号转化为能量后才能进行上行信息传输，其中混合接入点和用户均为单天线。

多用户无线供电网络一个时间周期分为了下行能量传输阶段、时间反演探测阶段和用户上行信息传输阶段。用户首先从混合接入点发送的射频信号中获得能量并存储在可蓄电电池中，然后在收到接入点发送的时间反演探测信号后，用户使用收集的能量进行上行信息传输。假设T为一个时间周期，每个时间周期的长度可以不同，其中下行发送能量信号的持续时间为τ^D，时间反演探测阶段所耗时间为τ^tr，用户上行传输信息时间为τ^U。为了方便计算，令每个标准化周期T＝1。

在第一阶段下行能量传输过程中h_i表示混合接入点到第i个用户U_i的信息传输，假设下行发送的射频能量信号为x_A，其中E[|X_A|²]＝P_A，则用户U_i接收到的能量信号为：

其中d_i表示用户到混合接入点的距离，γ_i为路径损耗因子，令

z_i表示在用户U_i接收到的加性高斯白噪声其均值为0，方差为σ2。

因此，每个用户接收到的下行传输能量为：

其中ξ_i为每个用户的能量收集效率，0<ξ_i<1,i＝1,…,N，令ξ₁＝…＝ξ_N＝ξ＝1。

在无线供电通信网的上行传输过程中，多个用户同时发送信息时会产生用户间干扰，考虑到传输过程中本身存在的码间干扰、路径损耗及信道状态等参数对接收信号质量的影响，在系统发送端加入时间反演技术，利用其在多径散射环境中独特的空时聚焦特性来抵制系统中多用户干扰和共道干扰等。

用户端在接收到射频能量信号后，发送时间反演探测信号，获取信道脉冲响应，经过时间反演镜后，利用信道互易性得到等价信道响应。用户端上行传输信号时，利用等价信道响应的共轭反转形式，在多径环境下，产生“隧道效应”，使每个用户发送的信号独立地在各自的路径里传输，有效抑制了干扰。经时间反演镜后的信号签名为：

其中，*表示共轭，

表示具有长度L的信道延迟分布的信道响应。

在上行传输信息过程中，混合接入点接收到来自用户U_i的信号为：

假设用户的能量利用率为η_i，则传输信息所用能量为η_iE_i，用户U_i的传输功率为：

P_i＝η_iE_i/τ^U,i＝1,…,N

因为用户的能量利用率不是本发明的重点，为了方便计算，记η₁＝…＝η_i＝η。

基于以上分析，上行链路中第i个用户的信干噪比为：

其中，G＝[g₁,…,g_N]表示信号签名矩阵，

其上标(·)^H表示共轭转置，

表示H_i的第L行向量，

上式中，

和

分别表示码间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)、用户间干扰(Inter-User Interference，IUI)。为了简化计算，本发明假设不同信道噪声方差相同。

那么基于上式，可以获得第i个用户的上行吞吐量如下：

R_i＝τ^Ulog₂(1+SINR_i)

在根据上式可以推出系统吞吐量为：

步骤102以最大化系统吞吐量为目标，对所述下行能量传输阶段、所述时间反演探测阶段、所述上行信息传输阶段或其组合分别构建出优化目标函数；通过对各个优化目标函数逐次进行优化，从而优化各个阶段的变量，并将其中的非凸函数进行凸优化转换包括：

所述步骤102包括：

1)构建最大化系统吞吐量模型，将下行能量传输阶段和上行信息传输阶段分配的时间固定；构建出基于时间反演探测阶段分配时间的第一目标函数；

2)基于所述第一目标函数，求解出时间反演探测阶段最优分配时间，将下行能量传输阶段分配的时间固定，构建出基于上行信息传输阶段分配时间的第二目标函数；

3)基于所述第二目标函数，将所述第二目标函数进行凸优化转换，构建出基于下行能量传输阶段和上行信息传输阶段分配时间的第三目标函数。

在一个实施例中，所述步骤3)中将所述第二目标函数进行凸优化转换包括将第二目标函数的约束条件采用拉格朗日函数的对偶乘子进行处理，采用KKT条件求解出上行信息传输所分配时间的最优解；利用所述最优解构建出第三目标函数。

令上行传输信息所用时间为τ^U≤1-τ^D-τ^tr，则用户的上行吞吐量R_i≤(1-τ^D-τ^tr)log₂(1+SINR_i)，在仅考虑信道容量最大的情况下，即发送探测信号后的所有时间全用于传输信号，对能量传输时间和时间反演探测时间进行分析，此时R_i＝(1-τ^D-τ^tr)log₂(1+SINR_i)。吞吐量随下行能量传输时间τ^D的变化为凸函数，存在最大值；而吞吐量随时间反演探测时间τ^tr呈单调递减。由此可以看出为使系统吞吐量足够大，应使时间反演探测时间τ^tr尽可能地小，但也要保障距离混合接入点最远的用户能够完成时间反演的探测阶段。假设用户距混合接入点的最远距离为d，则τ^tr≥d/c，其中c为信息传输速率。

为了保障无线供电通信网中用户的通信质量，每个用户的信干噪比必须满足一定的门限值。因此，在满足用户需求的前提下，最大化系统的总吞吐量如下式所示：

s.t.τ^D≥0,τ^U≥0,P_A≥0

τ^D+τ^tr+τ^U≤1

SINR_i≥ε

τ^tr≥d/c

其中，ε为用户信干噪比的最小门限值。将上式中的目标函数进一步细化，可写为：

所述步骤103通过所述优化函数逐次优化变量将非凸函数进行凸优化转换，并结合二分法，求出无线供电网络中下行能量传输阶段、时间反演探测阶段和上行信息传输阶段的最优时间分配包括：

固定τ^D和τ^U，对τ^tr求解最优解，此时目标函数变为：

τ^tr≤1-τ^U-τ^D

τ^tr≥d/c

由上式的目标函数可以看出C(τ^tr)是关于τ^tr的单调递减函数，因此，(τ^tr)^*＝d/c，该目标函数可以为第一目标函数。

求出最优τ^tr后，目标函数变为：

s.t.τ^D≥0,τ^U≥0,P_A≥0

τ^D+τ^U≤1-(τ^tr)^*

SINR_i≥ε

上式目标函数是关于τ^D和τ^U的凹函数，为了解决上述优化问题，引入变量t，其中0≤t≤1-(τ^tr)^*，令τ^U+τ^D＝t，将τ^D固定，则目标函数变为：

s.t.τ^U≥0,τ^U≤1-(τ^tr)^*

log₂(1+SINR_i)≥log₂(1+ε)

上式中的目标函数可以为第二目标函数；对于上式中的约束条件分别引入对偶乘子λ₁、λ₂，则问题的拉格朗日函数为：

根据KKT(Karush-Kuhn-Tucher,KKT)条件得：

进一步化简为：

因此，

的解为函数

的解x^*，其中

因此可以解得上行信息传输时间的最优解为：

(τ^U)^*＝(Aτ^D-B(x^*-1)τ^D)/C(x^*-1)

此时，目标函数变为关于t的函数：

上式中的目标函数可以为第三目标函数；通过将原问题处理为对应于各个变量的优化问题，根据拉格朗日乘子法求出最终的目标函数，结合二分法求出无线供电网络中下行能量传输阶段、时间反演探测阶段和上行信息传输阶段的最优时间分配。具体步骤如下：

所述步骤103包括：

1)按照求解出的时间反演探测阶段的最优分配时间(τ^tr)^*，划分上行信息传输与下行能量收集所分配时间之和t的上界t^up＝1-(τ^tr)^*；

2)将上行信息传输与下行能量收集所分配时间之和t的下界设置为t^low＝0；

3)采用二分法，令时间之和t＝(t^up+t^low)/2；

4)将时间之和t代入上行信息传输时间的最优解函数中，计算出上行信息传输所分配时间的最优解；

5)将求出的上行信息传输阶段所分配时间的最优解以及时间之和t代入凸优化转换后最终的目标函数中，该求出目标函数值C(t)；

6)若C(t)>C(t^up)，则令t^up＝t，若C(t)<C(t^low)，则令t^low＝t；

7)判断迭代是否满足收敛条件t^up-t^low≤μ，若满足收敛条件，则返回步骤3)；否则输出当前迭代中所计算出的下行能量传输阶段、时间反演探测阶段和上行信息传输阶段的最优时间分配；其中，μ表示误差门限。

本发明通过系统级的仿真平台对所提出的方案进行仿真验证，并与其他参考论文提出的相应方案进行比较，最后对所提出的方案进行性能分析。

在仿真过程中，信道均服从瑞利分布，设系统带宽为1.4MHz，用户的能量利用率η＝0.8，用户间的路径损耗因子γ¹＝…＝γⁱ＝2，噪声的功率谱密度为σ²＝-155dBm/Hz。本文分析了所提方案在不同条件下对系统性能的影响，并且与SDMA、TDMA传统方案进行对比。

图8所示为不同方案下用户平均吞吐量随用户数的关系图；图中发送功率为10W。假设本发明所提方案与SDMA、TDMA方案中混合接入点下行能量传输时间均相等，即所有方案的τ^U相等，并且提出的TDMA方案中所有用户上行传输信息的时间相等。从图中可以看出，本发明提出的方案能够有效地提升系统吞吐量。由于发射功率一定，随着用户数的增加，用户的平均吞吐量降低，但是本发明所提方案中用户的平均吞吐量随用户数增加的减少量比其他方案小。与只采用SDMA的方式相比是因为加入时间反演技术有效地抑制了上行传输过程中的用户间干扰及码间干扰等，因此提升了系统吞吐量和稳定性；而采用TDMA的方案中，不存在用户间干扰，但是由于上行传输信息消耗过多时间，导致频谱利用率不高，系统吞吐量相对较低。总之，与传统的时间分配方案相比，本发明所提方案可以有效提高用户的平均吞吐量并且系统的稳定性更强。

图9本发明用户到无线接入点的距离与吞吐量的关系图；图中表示在不同发送功率和不同时间反演阶段所耗时间τ^tr下，用户到无线接入点的距离与吞吐量的关系图。从图中可以看出，随着用户到无线接入点的距离增大，用户吞吐量逐渐降低，这与本发明前文所述的“双重远近”问题相符，并且发送功率越小，吞吐量的减小程度越大。同时可以看出，当使时间反演阶段时间占比越大时，用户的吞吐量越小，这也与本发明研究内容相符，应使时间反演阶段所占用的时间尽可能地小。因此，系统吞吐量与用户到无线接入点的距离和时间反演阶段所耗时间呈反比。

图10本发明探测时间与吞吐量的关系图；图中表示了时间反演探测阶段所用时间τ^tr占一个时间周期的长度比例与系统吞吐量的关系图。图中蓝线虚线表示优化算法求出的最优时间分配方案τ^U＝τ^*时系统的吞吐量，例如当τ^tr＝0.1时，τ^U＝τ^*＝0.289；红色虚线表示τ^U＝τ^D时系统的吞吐量，即当τ^tr＝0.1时，τ^U＝τ^*＝0.45。两条虚线均对应于左边的Y轴，从图中可以看出随着探测阶段所用时间τ^tr的增大，系统吞吐量逐渐降低。图中带三角形实线对应右边的Y轴，表示通过提出的优化算法求出的最优时间分配方案与τ^U＝τ^D的方案下，系统吞吐量的提升量，可以看出与τ^U＝τ^D的时间分配方案相比，最优的时间分配方案下系统吞吐量可以提升35.7％左右，且不随探测时间的变化而变化。这也进一步证实了系统吞吐量与时间反演阶段所耗时间呈反比。

本发明针对多用户无线供电通信网的上行传输干扰问题，结合时间反演技术提出了基于系统吞吐量最大的时间分配算法。通过将原问题处理为对应于各个变量的优化问题；根据拉格朗日乘子法求出最终的目标函数；结合二分法求出分段时间最优解。仿真结果从用户平均吞吐量、系统总吞吐量等方面证明，本文所提方案可以有效地抑制干扰，提升系统性能。无线供电通信网的应用前景广阔，可用于无线传感器网络，未来的研究可针对多天线H-AP和多用户的复杂多小区环境与车联网环境进行资源分配与优化。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置，其特征在于，所述时间分配模块包括：

优化函数构建单元，用于以最大化系统吞吐量为目标，构建出基于各个阶段所分配的时间的优化目标函数；

计算单元，用于根据调整后的优化目标函数计算出各个阶段的最优分配时间；

分配单元，用于根据计算单元所计算出的各个阶段的时间，对下行能量收集阶段、时间反演探测阶段以及上行信息传输阶段进行分配。

3.根据权利要求2所述的一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置，其特征在于，所述逐次递进单元包括：

4.根据权利要求3所述的一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置，其特征在于，所述第三递进单元包括采用拉格朗日乘子法和KKT条件，将第二目标函数进行转化，生成第三目标函数。

5.根据权利要求2所述的一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置，其特征在于，所述计算单元包括调用第一目标函数，计算出时间反演探测阶段所分配的时间，采用二分法，设置上行信息传输与下行能量收集所分配时间之和的上、下界；调用第二目标函数，计算出上行信息传输所分配的时间；调用第三目标函数，计算出下行能量收集所分配的时间。

6.根据权利要求5所述的一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置，其特征在于，所述计算单元还包括：

第一判断单元，用于判断第三目标函数值的大小；

7.一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配方法，其特征在于，所述步骤102包括：

9.根据权利要求8所述的一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配方法，其特征在于，步骤3)中将所述第二目标函数进行凸优化转换包括将第二目标函数的约束条件采用拉格朗日函数的对偶乘子进行处理，采用KKT条件求解出上行信息传输所分配时间的最优解；利用所述最优解构建出第三目标函数。

10.根据权利要求7所述的一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配方法，其特征在于，所述步骤103包括：

3)采用二分法，令时间之和t＝(t^up+t^low)/2；

6)若C(t)>C(t^up)，则令t^up＝t，若C(t)<C(t^low)，则令t^low＝t；

7)判断迭代是否满足收敛条件t^up-t^low≤μ，若满足收敛条件，则返回步骤3)；否则输出当前迭代中所计算出的下行能量传输阶段、时间反演探测阶段和上行信息传输阶段的最优时间分配；

其中，μ表示误差门限。