CN111385010B - 多模混合物联网及其无源中继协作式无线数据传输控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多模混合物联网系统，包括一个和多个基站或接入控制设备，具有多天线发射器，所述多天线发射器能够向外辐射射频能量；一个和多个无线供能设备，接收多天线发射器向外辐射的射频能量，调控其天线发射系数的幅度和相位，并将无线电波发射出去；多组物联网设备，包括主动式物联网设备、被动式物联网设备。本发明还公开一种无源中继协作式无线数据传输控制方法。本发明的有益效果在于:(1)多模协作式传输能显著改善网络性能；(2)能量预留算法在复杂度和性能上均有出色表现，是比较理想的实现手段；(3)多模切换机制具有很强灵活性，能显著提高网络整体性能。

Description

多模混合物联网及其无源中继协作式无线数据传输控制方法

技术领域

本发明涉及无线数据传输控制方法，特别涉及多模混合物联网及其无源中继协作式无线数据传输控制方法。

背景技术

物联网是一种新兴的技术，随着物联网设备的爆炸性增长，为数十亿的物联网设备充电或更换电池变得不切实际且成本高昂，尤其是一些设备部署在人类难以接近的环境中。

物联网作为信息通信技术的典型代表，在全球范围内呈现加速发展的态势。可穿戴设备、智能家电、自动驾驶汽车、智能机器人等，数以百亿计的新设备将接入网络，预计到2020年全球联网设备数量将达到260亿个，物联网市场规模达到1.9万亿美元。万物互联在推动海量设备进入互联网的同时，也在能源消耗方面提出了不小的挑战，海量数据的收集、处理、传输要求传感器节点有充足的能量供给。目前，无线能量传输作为一个可靠且成本低效益高的技术，有望为海量无线电设备进行供能。这种技术通过发射射频信号为低功耗无线通信设备提供能量来源，这需要从无线能量传输，能量调度和网络优化进行整体设计与系统优化。这一技术面临的主要难题在于这种能量供应方式的效率极低，而传统无线通信设备的功耗相对较高。典型的传统无线电发射机，例如WiFi设备，工作功率在数百毫瓦左右，远远超过了无线设备进行无线能量收集时的能量吸收功率。以从电视信号收集能量为例，该能量收集功率为60微瓦左右。这就意味着无线设备不得不工作在一个非常低的占空比下，因此它的整体吞吐量将受到极大的制约。

一个有效的解决方法得益于功耗极低的反向散射通信的发展。在反向散射通信中，工作在被动模式下的发射机通过反射入射的射频信号进行自身的信息传输。这种信息调制技术根据基带信号改变发射机的天线阻抗，完成对入射射频载波的调制。该发射机本身并不需要搭载高能耗的振荡器产生载波信号以及模数/数模(AD/DA)转换器，使得其能耗相对于传统的无线电发射机要低2-4个数量级。这样一个优良的特性使得无线能量传输得以应用在反向散射通信中。有望成为未来物联网广泛使用的低功耗数据传输技术。

主要挑战在于射频能量收集的低效率与无线通信中的高功耗之间的两难选择。Wi-Fi信号的功率范围从几毫瓦到几百毫瓦，单个设备所获取的能量是波动且不稳定的，不能作为可靠的能量来源。现有测试结果显示，电视塔信号能够提供60微瓦的射频功率，且随着环境、气候以及各种遮蔽物的变化而变化。解决问题的一种直接方法是提高无线能量传输的效率。例如，可以增加发射功率。附近的高发射功率可以提高能量速率，但是会引起辐射和健康问题。也可以增加接收器处天线阵列以获得更多能量。然而，增加天线阵列尺寸在在实际实施中异常困难而且代价高昂，不便于物联网设备的集成。使用无源反向散射设备，具有耗能极低的优势。无源收发器通过反射和调制周围环境中的现有射频信号，其自身不需要产生载波信号。反向散射无线电仅消耗几微瓦的能量。无源反向散射设备通过调谐天线的反射系数来实现信息调制。例如，我们可以在两个状态之间切换负载阻抗。使得天线的反射系数改变并引起反射信号强度的变化。通过能量检测器后，反向散射接收器可以捕获这种变化，之后恢复信号包络上携带的低速率反向散射信息。本发明提出一种融合了主被动传输的混合传输模式，提出了新的协作式无线数据传输控制方法，通过有源与无源设备之间的互补传输，有效地降低网络能耗、提高系统传输性能和灵活性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种多模混合物联网系统，包括

一个和多个基站或接入控制设备，具有多天线发射器，所述多天线发射器能够向外辐射射频能量；

一个和多个无线供能设备，接收多天线发射器向外辐射的射频能量，调控其天线发射系数的幅度和相位，并将无线电波发射出去；

多组物联网设备，包括主动式物联网设备、被动式物联网设备，主动式物联网设备通过天线控制从一个和多个基站或接入控制设备、一个和多个无线供能设备收集能量或者获取信息，并通过主动式的射频传输模式传输信息；被动式物联网设备，通过天线控制从一个和多个基站或接入控制设备、一个和多个无线供能设备收集能量或者获取信息，并通过被动式的反向散射通信模式传输信息。

进一步地，基站或接入控制设备控制多组物联网设备的传输调度、数据传输和传输模式转化，可以改变其波束成形策略来控制能量传递到不同的一个和多个无线供能设备。

进一步地，传输调度包括时隙分配、能量波束成形。

进一步地，数据传输可以采用时分复用方式控制多用传输。

本发明还公开一种基于上述中所述的一种多模混合物联网系统的无源中继协作式无线数据传输控制方法，包括：

一个和多个基站或接入控制设备通过多天线发射器向外辐射射频能量；

一个和多个无线供能设备，接收多天线发射器向外辐射的射频能量，调控其天线发射系数的幅度和相位，并将无线电波发射出去；

主动式物联网设备通过天线控制从一个和多个基站或接入控制设备、一个和多个无线供能设备收集能量或者获取信息，并通过主动式的射频传输模式传输信息；

被动式物联网设备通过天线控制从一个和多个基站或接入控制设备、一个和多个无线供能设备收集能量或者获取信息，并通过被动式的反向散射通信模式传输信息。

进一步地，还包括：一个和多个基站或接入控制设备收集多组物联网设备的信道信息及能量状态，优化多组物联网设备的传输模式切换方法，最大化多模混合物联网系统性能，所述性能包括网络整体能耗、数据吞吐量、网络节点寿命。

进一步地，还包括：主动式物联网设备和被动式物联网设备之间支持相互协作传输，被动式物联网设备通过反向散射方式转发主动式物联网设备的射频信号，增强射频信号在接收机的强度。

进一步地，传输模式切换方法在传输机制选择上采用中继转发策略，所述中继转发策略包括强制协作算法；所述强制协作算法包括：

每个主动式物联网设备传输时隙内，所有邻近物联网节点转换为被动模式，通过反向散射通信方式转发主动式物联网的发射信号，一个和多个无线供能设备调控其天线发射系数的幅度和相位，增强主动信号在接收机端的强度，基站或接入控制设备需要调控的参数包括：多物联网设备时隙分配、多时隙波束成形方案、多模传输调度、天线发射系数、主动传输功率。

进一步地，传输模式切换方法在传输机制选择上采用中继转发策略，所述中继转发策略包括贪婪搜索算法，所述贪婪搜索算法包括：

步骤(1)：算法初始化，一个和多个基站或接入控制设备设定波束成形、时隙分配策略，评估初始网络性能；

步骤(2)：顺次搜索和评估每个中继的所有可能中继策略，所述中继指的是除正在进行信息传输外的其他所有参与转发的物联网设备；

步骤(3)，为每个中继选择性能提升最大的中继更新策略；

步骤(4)：评估网络性能，判断更新是否收敛；若否进入步骤(5)；若是进入步骤(6)；

步骤(5)；判断网络性能是否提升，若是进入步骤(3)；若否进入步骤(2)；

步骤(6)：返回最终传输控制方案，算法结束。

进一步地，传输模式切换方法在传输机制选择上采用中继转发策略，所述中继转发策略包括能量预留算法，所述能量预留算法包括：

步骤(1)：算法初始化，一个和多个基站或接入控制设备设定波束成形、时隙分配策略，评估初始网络性能；

步骤(2)：更新截留能量数量，计算中继方向散射系数；

步骤(3)，基站或接入控制设备更新波束成形及时隙分配策略；

步骤(4)：评估网络性能，判断更新是否收敛；若否进入步骤(2)；若是进入步骤(5)；

步骤(5)；返回最终传输控制方案，算法结束。

本发明具有以下有益效果：

(1)无线能量采集可以通过从射频信号中获取能量来维持物联网设备的工作，针对有源与无源设备混杂的高物联网设备密度、低能量密度物联网环境，提出了新的协作式无线数据传输控制方法，通过有源与无源设备之间的互补传输，有效地降低网络能耗、提高系统传输性能和灵活性。

(2)经过不同算法比较，能量预留算法在复杂度和性能上均有出色表现，是比较理想的实现手段。

(3)多模切换机制具有很强灵活性，能显著提高网络整体性能。

附图说明

图1为一种多模混合物联网系统结构及时隙分配示意图；

图2为贪婪搜索算法流程图；

图3为能量预留算法流程图；

图4为不同传输策略的吞吐量变化；

图5为几种传输控制算法的性能对比。

具体实施方式

下面结合附图和本发明的实施例，对本发明作进一步地描述，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

实施例一

参考图1，一种多模混合物联网系统，包括

一个和多个基站或接入控制设备，具有多天线发射器，所述多天线发射器能够向外辐射射频能量；

一个和多个无线供能设备，接收多天线发射器向外辐射的射频能量，调控其天线发射系数的幅度和相位，并将无线电波发射出去；

多组物联网设备，包括主动式物联网设备、被动式物联网设备，主动式物联网设备通过天线控制从一个和多个基站或接入控制设备、一个和多个无线供能设备收集能量或者获取信息，并通过主动式的射频传输模式传输信息；被动式物联网设备，通过天线控制从一个和多个基站或接入控制设备、一个和多个无线供能设备收集能量或者获取信息，并通过被动式的反向散射通信模式传输信息。

每个物联网设备可以调控其传输模式，包括主动式的射频传输及被动式的反向散射通信模式，传输模式的切换可以是柔性的，即在整个传输时隙内灵活切换。

当物联网设备主动式的射频传输，该物联网设备可以称作主动式物联网设备，当物联网设备被动式的反向散射通信，该物联网设备可以称作被动式物联网设备。

基站可以兼能量传输设备，也可以有专门独立的设备发射功率。为表述方便，在图1中，基站兼做无线供能设备。无线能量采集可以通过从射频信号中获取能量来维持物联网设备的工作，针对有源与无源设备混杂的高物联网设备密度、低能量密度物联网环境，面向多物联网设备物联网环境，设计了多模混合网络系统，工作方式如下：该基站或接入控制设备具有多天线发射器，能够向外辐射射频能量，同时对多组物联网设备进行信息传输，具有多模数据传输能力，每个物联网设备通过天线控制能量收集或者信息传输，无信息传输时，该物联网设备可以收集和存储射频能量，物联网设备可分为主动式物联网设备、被动式物联网设备，主动式物联网设备主动式的射频传输模式传输信息，被动式物联网设备通过被动式的反向散射通信模式传输信息。

基于上述多模混合物联网系统，其无源中继协作式无线数据传输控制方法，包括：

一个和多个基站或接入控制设备通过多天线发射器向外辐射射频能量；

一个和多个无线供能设备，接收多天线发射器向外辐射的射频能量，调控其天线发射系数的幅度和相位，并将无线电波发射出去；

主动式物联网设备通过天线控制从一个和多个基站或接入控制设备、一个和多个无线供能设备收集能量或者获取信息，并通过主动式的射频传输模式传输信息；

被动式物联网设备通过天线控制从一个和多个基站或接入控制设备、一个和多个无线供能设备收集能量或者获取信息，并通过被动式的反向散射通信模式传输信息。

该实施例有益效果如下：提出了新的协作式无线数据传输控制方法，通过有源与无源设备之间的互补传输，有效地降低网络能耗、提高系统传输性能和灵活性。

实施例二

在实施例一的基础上，基站或接入控制设备控制多组物联网设备的传输调度、数据传输和传输模式转化，可以改变其波束成形策略来控制能量传递到不同的一个和多个无线供能设备。

传输调度包括时隙分配、能量波束成形。

数据传输可以采用时分复用方式控制多用传输。

基站或接入控制设备可以作为中心控制器来调节物联网设备的数据传输和模式转换，例如基站或接入控制设备可以采用时分复用(TDMA)方式控制多用传输。

考虑到不同的信道条件和不同物联网设备的能量需求，基站或接入控制设备可以改变它的波束成形策略来控制能量传递到不同的无线供能设备，从而实现最大的系统总吞吐量。

基站或接入控制设备可以收集每个物联网设备的信道信息及能量状态，优化每个物联网设备的传输模式切换方案，最大化网络整体性能。网络性能可以定义为网络整体能耗、数据吞吐量、网络节点寿命等。

考虑到不同的信道条件和不同物联网设备的能量需求，基站或接入控制设备可以改变它的波束成形策略来控制能量传递到不同的无线供能设备，从而实现最大的系统总吞吐量。在多模混合物联网系统信号传输过程中，信号发出的设备称作信号发射器，信号接收的设备称作信号接收器，举例来说，比如无线接入设备传输信号到物联网设备，则无线接入设备为信号发射器，物联网设备为信号接收器。我们把每个信号发射器记作DTx，把每个信号接收器记作DRx。从PBS(基站或接入控制设备)到DTx-n(表示第n个信号发射器，n为自然数，n＝1，2.....)的信道记作h_n，DTx-n到DRx-n(表示第n个信号接收器，n为自然数，n＝1，2.....)的信道记作g_n。DTx-n到DTx-m和DRx-m的信道分别记作z_n,m和g_n,m。采用TDMA的方式将时间划分为N个时隙，分配给N对物联网设备，每个时隙又分为主动传输和被动传输也就是反向散射这两个子时隙，记做(t_n,1,t_n,2)，如图1所示。对于某一个信号发射器DTx-n来说，在属于自己的时隙t_n里可以在主动传输和被动传输之间切换，在不属于自己的时隙里，可以通过无线能量采集来吸收基站或接入控制设备发射的能量。

根据能量的多少和信道条件，每一个物联网设备可以通过控制阻抗在主被动传输之间切换。主动传输时阻抗匹配，被动传输时阻抗失配。记e_n,i(t)为基站或接入控制设备在第n个物联网设备的第i个子时隙发射的复能量信号，因此对应的基站或接入控制设备的发射功率可以定义为

基站或接入控制设备的能量限制和功率限制可以表述为:

其中，E_max表示基站或接入控制设备的总的能量限制，P_max表示基站或接入控制设备的峰值发射功率。主动传输时的总吞吐量可以写成：

其中p(n,1)表示物联网设备DTx-n在子时隙t_n，1的发射功率。用

₁表示DTx-n主动传输时消耗的总能量，因此它被其它时隙的采集的能量限制。

其中

表示除了DTx/DRx-n以外的其它所有物联网设备对，η是能量转换效率。

被动传输时，反向散射通信依赖于反射和调制由PBS(基站或接入控制设备)发射的射频信号。DTx-n接收到的载波信号可以表示为

其中σ_n表示天线端的复高斯噪声。同时，物联网设备DTx-n通过控制负载阻抗系数Γ_n,n把自身的信息s_n(t)加载到d_n(t)上面。DRx-n接收到的信号可以表示为

其中v_n是噪声信号。被动传输的吞吐量可以表示为：

通过联合优化基站或接入控制设备的能量分配策略W和物联网设备的主被动传输时间以及物联网设备的传输功率p，使整体的性能达到最优。

由于此问题是非凸的，为了求解这个问题，引入辅助变量

问题转化

max∑_n∈N∑_i∈{1,2}t_n,ilog(1+|g_n,n|²e_n,i/t_n,i) (6a)

∑_i∈{1,2}Tr(E_n,i+E_-n,i)≤E_max (6d)

Tr(E_n,i)≤t_n,iP_max (6e)

t_n,1+t_n,2≤1,n∈{1,2,…,N} (6f)

其中

由于信道的衰落效应|z_m,n|²，公式(3)可以改写为公式(6b)。观察公式(6a)可以发现目标函数对于(t_n,i/e_n,i)是单调增函数而且是凹函数，其他限制条件也都是线性的。此问题是一个凸的半正定问题，可以由内点法解出来。对于每个物联网设备来说，在自己分配到的时隙可以选择主动传输或者被动传输，在其他物联网设备的时隙里则收集能量。

当物联网设备收集到足够的能量时，进一步吸收能量对于吞吐量的提升意义不大，这时可以选择协助此时正在传输信息的物联网设备对进行信息传输，只考虑主动传输时的中继协作，以R_n表示在t_n,1时隙的协助DTx-n和DRx-n传输的中继集。对于此中继集里的每一个信号发射器DTx-r，反射系数记作Γ_r,n。中继DTx-r接收到的信号

接收机DRx-n收到的信号记作

第二项

是指(Γ_r,ng_r,nh_r+f_n)^He_n,1(t)。假设每个物联网设备都可以在数据传输的开始交换信息。一旦DTx-r设定好自身的反射系数Γ_r,n并且通知给DRx-n，干扰项就可以被处理。DRx-n收到的信号

记

在主动传输时有中继协作的吞吐量可以写作

此时公式(6a)-(6f)转化为

∑_i∈{1,2}Tr(E_n,i+E_-n,i)≤E_max (11d)

Tr(E_n,i)≤t_n,iP_max (11e)

t_n,1+t_n,2≤1,n∈{1,2,…,N} (11f)

公式(11)是一个难解的非凸问题，接下来提出几种启发式算法来给出次优解。

不同模式物联网设备之间支持相互协作传输，被动物联网设备可以通过方向散射方式转发主动物联网设备的射频信号，增强信号在接收机的强度。

每个转发设备(指的是除正在进行信息传输外的其它所有参与转发的物联网设备)需要控制其中继转发策略，中继转发策略影响其能量收集性能和自身传输性能。中继转发策略包括为哪一对主动物联网设备转发，转发信号时的反射信号强度等。

本专利设计了多种不同中继转发策略，包括但不限于以下几种：

(一)强制协作算法：即每个主动物联网设备传输时隙内，所有邻近物联网节点转换为被动模式，通过方向散射通信方式转发主动物联网设备的发射信号，每个中继调控其天线发射系数的幅度和相位，增强主动信号在接收机端的强度。基站或接入控制设备需要调控的参数包括：多物联网设备时隙分配、多时隙波束成形方案、多模传输调度、天线发射系数、主动传输功率等。

我们假定当一对物联网设备在主动传输时，其他所有物联网设备都以最大能力协助其传输。令中继集R_n＝N_n，反射系数Γ_r,n＝1，能量收集只发生被动传输阶段，公式(11)转化为

∑_i∈{1,2}Tr(E_n,i+E_-n,i)≤E_max (12d)

Tr(E_n,i)≤t_n,iP_max (12e)

t_n,1+t_n,2≤1,n∈{1,2,…,N} (12f)

公式(12)和公式(6)有相似的结构，可以用MATLAB里的优化工具箱求解。

(二)贪婪搜索算法：通过迭代搜索的方式确定不同模式物联网设备之间的相互协作关系。给定一个初始的协作传输策略(例如，采用强制协作算法确定初始传输方案)，按一定物联网设备次序，评估每个物联网设备的所有中继方案，选择能获得最优性能提升的策略作为其新的中继方案。更新中继方案之后，依次对其他物联网设备做相似评估和更新，直至算法收敛。算法流程图如图2所示。贪婪搜索算法包括如下步骤：

步骤(1)：算法初始化，一个和多个基站或接入控制设备设定波束成形、时隙分配策略，评估初始网络性能；

步骤(2)：顺次搜索和评估每个中继的所有可能中继策略，所述中继指的是除正在进行信息传输外的其他所有参与转发的物联网设备；

步骤(3)：为每个中继选择性能提升最大的中继更新策略；

步骤(4)：评估网络性能，判断更新是否收敛；若否进入步骤(5)；若是进入步骤(6)；

步骤(5)；判断网络性能是否提升，若是进入步骤(3)；若否进入步骤(2)；

步骤(6)：返回最终传输控制方案，算法结束。

上述算法初始化可以是采用强制协作算法初始化，亦可以是其他任意初始化方法，例如随机初始化。上述最终传输控制方案包括基站时隙分配、功率分配、波束成形系数、中继发射系数、中继传输功率等。

考虑公式(2)的一种可能实现情况：对于物联网设备DTx-r来说，当它选择协助物联网设备DTx-n传输时，它本身就会有一个能量的损失

因此随着带来的吞吐量减少是

而另一方面，物联网设备DTx/DRx-n传输对的信道有了加强的作用，

随之带来的吞吐量的增加是

通过比较Δr_r,n-Δr`_r,n的差值来判断是否帮助物联网设备传输。

(三)能量预留算法：该算法仅依赖于物联网设备本地信息，减小物联网设备之间信息交换的通信和时延开销，同时有较低的复杂度。该算法基于平等互助的思想，若中继节点(指的是除正在进行信息传输外的其他所有参与转发的物联网设备，下同)能从某一主动传输节点获得较高的射频能量，则该中继节点同样倾向于反射较多的能量以协作主动物联网设备的数据传输。能量预留算法要求中继节点从每个主动传输物联网设备截留相同能量，反射剩余信号能量。给定截留能量，每个中继节点则能够确定相应的天线反射系数和相应的中继策略，给定中继策略，基站或接入控制设备则能够优化其它传输控制策略。最优还需要通过迭代算法确定最优的截留能量数量。算法流程图如图3所示。能量预留算法包括如下步骤：

步骤(1)：算法初始化，一个和多个基站或接入控制设备设定波束成形、时隙分配策略，评估初始网络性能；

步骤(2)：更新截留能量数量，计算中继方向散射系数；

步骤(3)：基站或接入控制设备更新波束成形及时隙分配策略；

步骤(4)：评估网络性能，判断更新是否收敛；若否进入步骤(2)；若是进入步骤(5)；

步骤(5)；返回最终传输控制方案，算法结束。

上述算法初始化可以是采用强制协作算法初始化，亦可以是其他任意初始化方法，例如随机初始化。上述最终传输控制方案包括基站时隙分配、功率分配、波束成形系数、中继发射系数、中继传输功率等。

考虑公式(3)的一种可能实现情况：定义

为物联网设备DTx-n在t_r,1和t_r,2时隙吸收的能量。如果物联网设备DTx-r在t_n时隙里吸收了比较多的能量，那么它也会设置高的Γ_r,n值来协助传输。剩余的能量

是入射能量和反射能量的差值,可以认为是DTx-r协助DTx-n传输的净收益。剩余的能量定义为α₀＝(1-|Γ_n,r|²)α_n,r，能量预留算法保证每个协助DTx-r传输的DTx-n得到相同的净收益。DTx-n每次协助其他物联网设备传输都获得相同增益。此时总的计算吞吐量的公式变成：

∑_i∈{1,2}Tr(E_n,i+E_-n,i)≤E_max (13d)

Tr(E_n,i)≤t_n,iP_max (13e)

t_n,1+t_n,2≤1,n∈{1,2,…,N} (13f)

当给定t和w时，z_n只和α₀有关系，可以用迭代的方法求出最好的总吞吐量。首先，由强制协作算法初始化系统，给定固定的t，w之后求出每个物联网设备DTx-n对应的α_n,r，更新中继策略。接下来搜索最佳α₀。可以使用二分法进行一维搜索，找到了最佳α₀就相当于解一个只有t和w变量的问题，求出最优值后计算此时的吞吐量。

为验证不同传输控制策略及不同传输控制方法下的网络性能，基站或接入控制设备以基站为例子，设置基站(控制装置)的最大传输功率是Pmax＝200mW，总的能量限制是Emax＝200mJ。考虑一个三天线五对传输物联网设备的系统，信道衰减系数设为2，单位距离上的衰减设为-30dB，总的天线增益设定为15dB。带宽设定为100kHz，环境中的射频信号功率密度是-100dBm。能量转换效率是η＝0.5，反射系数Γ＝1。基站处于极坐标的中心。

图4中显示了不同传输策略的吞吐量变化，情况1表示物联网设备之间距离比较近并且加入了协作时的性能变化。情况2表示物联网设备之间距离较远同时也有中继协作时的性能，情况3是物联网设备之间距离较远具有主被动传输切换供能，但没有中继协作的供能。情况4是物联网设备之间距离较远且全部是主动传输，情况5是物联网设备之间距离较远且全部被动传输。可以观察到系统总的传输吞吐量都随着基站总的可用能量的增加而增加。通过情况3到5的比较，我们可以发现混合传输的效果要比单独主动传输或者单独被动传输好。

主动传输指的是在整个时隙中，物联网设备不利用环境中的射频信号，利用自己在其他时隙中吸收的能量发射射频信号将自己的信息加载在上面。

被动传输指不吸收能量，物联网设备只利用环境中的射频信号将自身信息搭载在上面完成信息传输。

混合传输是指既有主动传输又有被动传输，二者互补，相互切换。

协作传输指在主动传输的阶段引入中继协助，在此处使用的是贪婪算法。

图5显示了几种中继传输算法的性能对比。基准是没有协作的混合传输策略，我们可以观察到所有的策略在相同的能量限制与物联网设备分布时表现出非常接近的性能。当总的能量限制Emax比较小的时候，强制协作算法表现地最好。比较几种算法的性能表现，总体来说，能量预留算法在性能及复杂的上都是一个不错的选择。

本发明的目的在于在具体情形下设计几种有效可靠的算法来提高传感器系统的传输性能。本发明提出的几种算法在不同的条件下表现出不同的性能，但总体来说：

(1)在某对物联网设备传输时引入其他物联网设备的协作来加强传输性能也是比较新颖的，多模协作式传输能显著改善网络性能；

(2)不同算法在复杂度、通信开销、网络性能上存在差异；

(3)能量预留算法在复杂度和性能上均有出色表现，是比较理想的实现手段。

(4)多模切换机制具有很强灵活性，能显著提高网络整体性能。

本发明提供了三种可行的中继协作传输控制公式，所述领域的技术人员应该明白，混合多模网络不论采用其他何种中继协作传输公式，均在本发明的保护领域之内。

Claims (4)

1.一种无源中继协作式无线数据传输控制方法，基于多模混合物联网系统实施，其特征在于：

所述多模混合物联网系统包括：

一个或多个基站或者一个或多个接入控制设备，具有多天线发射器，所述多天线发射器能够向外辐射射频能量；

一个或多个无线供能设备，接收多天线发射器向外辐射的射频能量，调控其天线发射系数的幅度和相位，并将无线电波发射出去；

多组物联网设备，包括主动式物联网设备、被动式物联网设备，主动式物联网设备通过天线控制从一个或多个基站或者一个或多个接入控制设备、一个或多个无线供能设备收集能量或者获取信息，并通过主动式的射频传输模式传输信息；被动式物联网设备，通过天线控制从一个或多个基站或者一个或多个接入控制设备、一个或多个无线供能设备收集能量或者获取信息，并通过被动式的反向散射通信模式传输信息；

所述基站或接入控制设备控制多组物联网设备的传输调度、数据传输和传输模式转化，可以改变其波束成形策略来控制能量传递到不同的一个和多个无线供能设备；

所述传输调度包括时隙分配、能量波束成形；

所述数据传输可以采用时分复用方式控制多用传输；

所述方法包括：一个或多个基站或者一个或多个接入控制设备收集多组物联网设备的信道信息及能量状态，优化多组物联网设备的传输模式切换方法，最大化多模混合物联网系统性能，所述性能包括网络整体能耗、数据吞吐量、网络节点寿命；

采用TDMA的方式将时间划分为N个时隙，分配给N个所述物联网设备，每个时隙分为主动传输和被动传输；

其中，所述优化多组物联网设备的传输模式切换方法，包括：

对于每个所述物联网设备，在所述物联网设备分配到的时隙选择主动传输或被动传输，在其他物联网设备分配的时隙里收集能量；根据能量的多少和信道条件，每一个物联网设备通过控制阻抗在主被动传输之间切换；主动传输时阻抗匹配，被动传输时阻抗失配；

基站或接入控制设备的能量限制和功率限制为：

其中，W_n,i为基站或接入控制设备的发射功率；E_max表示基站或接入控制设备的总的能量限制，P_max表示基站或接入控制设备的峰值发射功率；t_n,1和t_n,2分别为主动传输子时隙和被动传输子时隙；

主动传输时的总吞吐量

为：

其中，p_n,1为物联网设备DTx-n在子时隙t_n,1的发射功率；

DTx-n主动传输时消耗的总能量

其中

表示除了DTx/DRx-n以外的其它所有物联网设备对，η是能量转换效率；

被动传输的吞吐量为：

其中，g_n,n为DTx-n到DRx-m的信道；h_n为基站或接入控制设备到DTx-n的信道；

通过联合优化基站或接入控制设备的能量分配策略W和物联网设备的主动传输时间和被动传输时间以及物联网设备的传输功率p，使整体的性能达到最优：

由于此问题是非凸的，为了求解这个问题，引入辅助变量

问题转化为：

max∑_n∈N∑_i∈{1,2}t_n,ilog(1+|g_n,n|²e_n,i/t_n,i) (6a)

∑_i∈{1,2}Tr(E_n,i+E_-n,i)≤E_max (6d)

Tr(E_n,i)≤t_n,iP_max (6e)

t_n,1+t_n,2≤1,n∈{1,2,…,Ν} (6f)

其中

上述问题是一个凸的半正定问题，通过内点法求解；

当所述物联网设备收集到足够的能量时，选择协助此时正在传输信息的物联网设备对进行信息传输，其中，在传输机制选择上采用中继转发策略，所述中继转发策略包括强制协作算法、贪婪搜索算法、能量预留算法中一者；

其中，所述强制协作算法包括：每个主动物联网设备传输时隙内，所有邻近物联网节点转换为被动模式，通过反向散射通信方式转发主动物联网设备的发射信号，每个中继调控其天线发射系数的幅度和相位，增强主动信号在接收机端的强度；基站或接入控制设备需要调控的参数包括：多物联网设备时隙分配、多时隙波束成形方案、多模传输调度、天线发射系数、主动传输功率；

所述贪婪搜索算法包括：给定一个初始的协作传输策略，按一定物联网设备次序，评估每个物联网设备的所有中继方案，选择能获得最优性能提升的策略作为新的中继方案；更新中继方案之后，依次对其他物联网设备做相似评估和更新，直至算法收敛；

所述能量预留算法包括：要求中继节点从每个主动传输物联网设备截留相同能量，反射剩余信号能量；给定截留能量，每个中继节点则能够确定相应的天线反射系数和相应的中继策略，给定中继策略，基站或接入控制设备则能够优化其它传输控制策略；最后还需要通过迭代算法确定最优的截留能量数量。

2.如权利要求1所述的一种无源中继协作式无线数据传输控制方法，其特征在于：还包括：主动式物联网设备和被动式物联网设备之间支持相互协作传输，被动式物联网设备通过反向散射方式转发主动式物联网设备的射频信号，增强射频信号在接收机的强度。

3.如权利要求1-2任一所述的一种无源中继协作式无线数据传输控制方法，其特征在于：传输模式切换方法在传输机制选择上采用中继转发策略，所述中继转发策略包括贪婪搜索算法，所述贪婪搜索算法包括：

步骤(1)：算法初始化，一个或多个基站或者一个或多个接入控制设备设定波束成形、时隙分配策略，评估初始网络性能；

步骤(2)：顺次搜索和评估每个中继的所有可能中继策略，所述中继指的是除正在进行信息传输外的其他所有参与转发的物联网设备；

步骤(3)，为每个中继选择性能提升最大的中继更新策略；

步骤(4)：评估网络性能，判断更新是否收敛；若否进入步骤(5)；若是进入步骤(6)；

步骤(5)；判断网络性能是否提升，若是进入步骤(3)；若否进入步骤(2)；

步骤(6)：返回最终传输控制方案，算法结束；

所述算法初始化是采用强制协作算法初始化或随机初始化；所述最终传输控制方案包括基站时隙分配、功率分配、波束成形系数、中继发射系数、中继传输功率。

4.如权利要求1-2任一所述的一种无源中继协作式无线数据传输控制方法，其特征在于：传输模式切换方法在传输机制选择上采用中继转发策略，所述中继转发策略包括能量预留算法，所述能量预留算法包括：

步骤(1)：算法初始化，一个或多个基站或者一个或多个接入控制设备设定波束成形、时隙分配策略，评估初始网络性能；

步骤(2)：更新截留能量数量，计算中继方向散射系数；

步骤(3)，基站或接入控制设备更新波束成形及时隙分配策略；

步骤(4)：评估网络性能，判断更新是否收敛；若否进入步骤(2)；若是进入步骤(5)；

步骤(5)；返回最终传输控制方案，算法结束；

所述算法初始化是采用强制协作算法初始化或随机初始化；所述最终传输控制方案包括基站时隙分配、功率分配、波束成形系数、中继发射系数、中继传输功率。

Images