CN112087721A - 一种反向散射辅助的无线供能通信网络的节点间通信方法 - Google Patents

Abstract

一种反向散射辅助的无线供能通信网络的节点间通信方法，对于无线供能通信网络中节点间的信息传输，本发明利用了反向散射通信技术，给出了由节点反向散射/能量传输阶段和节点主动通信阶段构成的方案，并确定节点的能量采集时长、反向散射时长和主动通信时长的合理取值。本发明的方法利用后向散射通信技术来有效地提高无线供能通信网络的节点间通信吞吐量。

Description

一种反向散射辅助的无线供能通信网络的节点间通信方法

技术领域

本发明涉及一种反向散射辅助的无线供能通信网络的节点间通信方法，该方法适用于反向散射辅助的无线供能通信网络。

背景技术

近年来，无线供能技术在无线网络领域越来越受到关注。由专用射频能量源进行大范围的无线供能，可以为多个无线传感节点提供稳定、可控的能量，节点通过捕获能量源发送的射频能量来工作，这是一种非常有潜力的物联网节点能量捕获技术，可以应用于智能交通、智能家居等物联网应用。

以往的大多数无线供能通信网络研究工作采用了先捕获能量后信息传输的模式，因此无论是半双工还是全双工模式，都需要系统分配一段时间来专门用于无线供能，由于供能和通信通常使用同一个频段，这段时长内不能进行节点的主动通信。

反向散射通信是一种利用环境中的电磁波来通信的技术，而且发送节点几乎不消耗能量。近年来，一些研究工作将反向散射通信应用于无线供能通信网络中，网络节点可工作于反向散射通信或主动通信这两种通信方式。在无线供能通信网络中使用反向散射通信技术的好处是在能量源进行无线供能的时候，可以有节点进行反向散射通信，从而提高网络吞吐量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种反向散射辅助的无线供能通信网络的节点间通信方法，将反向散射通信应用于无线供能网络中的节点间通信，从而提高网络总吞吐量。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种反向散射辅助的无线供能通信网络的节点间通信方法，所述方法包括以下步骤：

1)对于无线供能通信网络中可捕获射频能量的装有双天线的两个邻近节点U₁和U₂，在网络系统安排的时长T内，首先能量源以发送功率P_A来广播射频信号，广播时长是α₁+α₂；在这段时长里，U₁和U₂分别进行α₁和α₂时长的反向散射辅助通信，U₁将信息发送给U₂，U₂将信息发送给U₁；在这段时长里，由于节点具有双天线，U₁和U₂同时进行能量捕获，节点的能量达到储能容量就停止能量捕获，捕获时长分别记为τ₁和τ₂；

2)然后U₁和U₂以频分复用的方式同时进行T-α₁-α₂时长的主动通信来互相发送数据，这段时间里能量源不发送射频信号。

进一步，所述的时长α₁和α₂的取值确定过程包含如下步骤：

步骤一：用

表示α₁的可行区间的下边界值，将其初始化为0；用

表示α₁的可行区间的上边界值，将其初始化为

和

分别为节点U₁和U₂捕获射频能量的最大时长，通过

和

得到，其中C₁和C₂分别是U₁和U₂的储能容量，η₁和η₂分别是U₁和U₂的能量捕获效率，h₁是能量源到U₁的信道增益，h₂是能量源到U₂的信道增益；

步骤二：在α₁的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α′₁和α″₁，其值如下所示：

步骤三：用

表示α₂的可行区间的下边界值，将其初始化为0，用

表示α₂的可行区间的上边界值，将其初始化为

步骤四：在α₂的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α'₂和α″₂，其值如下所示：

步骤五：计算α₁＝α′₁,α₂＝α′₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α′₁,α₂＝α′₂)和α₁＝α′₁,α₂＝α″₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α′₁,α₂＝α″₂)，其中

其中，

是节点U_j的反向散射速率，γ_j根据

得到，其中η_j是节点U_j的能量收集效率，g_j是U_j到另一个节点的信道增益,σ²是高斯白噪声功率；

步骤六：若R_sum(α₁＝α′₁,α₂＝α′₂)＞R_sum(α₁＝α′₁,α₂＝α″₂)，

否则

步骤七：若

则转到步骤四，其中tol是预设置的收敛精度值；否则，记

记

跳到步骤八；

步骤八：

步骤九：在α₂的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α′₂和α″₂，其值如下所示：

步骤十：计算α₁＝α″₁,α₂＝α′₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α″₁,α₂＝α′₂)和计算α₁＝α″₁,α₂＝α″₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α″₁,α₂＝α″₂)；

步骤十一：若R_sum(α₁＝α″₁,α₂＝α′₂)＞R_sum(α₁＝α″₁,α₂＝α″₂)，

否则

步骤十二：若

则转到步骤九；否则，记

跳到步骤十三；

步骤十三：若R₁≥R₂，

的值保持不变；否则，

步骤十四：若

转步骤二；否则，跳到步骤十五；

步骤十五：返回

和

结束。

本发明的有益效果表现在：本发明利用反向散射通信技术来提高无线供能通信网络中节点间通信的吞吐量，并确定节点反向散射、能量采集和主动通信的合理时间分配，达到比传统不采用反向散射通信技术更高的节点间通信吞吐量。

附图说明

图1是反向散射辅助无线供能通信网络模型示意图。

图2是反向散射/能量传输和主动通信示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行具体分析。

参照图1和图2，一种反向散射辅助的无线供能通信网络的节点间通信方法，包括以下步骤：

1)对于无线供能通信网络中可捕获射频能量的装有双天线的两个邻近节点U₁和U₂，在网络系统安排的时长T内，首先能量源以发送功率P_A来广播射频信号，广播时长是α₁+α₂；在这段时长里，U₁和U₂分别进行α₁和α₂时长的反向散射辅助通信，U₁将信息发送给U₂，U₂将信息发送给U₁；在这段时长里，由于节点具有双天线，U₁和U₂同时进行能量捕获，节点的能量达到储能容量就停止能量捕获，捕获时长分别记为τ₁和τ₂；

2)然后U₁和U₂以频分复用的方式同时进行T-α₁-α₂时长的主动通信来互相发送数据，这段时间里能量源不发送射频信号。

进一步，所述的时长α₁和α₂的取值确定过程包含如下步骤：

步骤一：用

表示α₁的可行区间的下边界值，将其初始化为0；用

表示α₁的可行区间的上边界值，将其初始化为

和

分别为节点U₁和U₂捕获射频能量的最大时长，通过

和

得到，其中C₁和C₂分别是U₁和U₂的储能容量，η₁和η₂分别是U₁和U₂的能量捕获效率，h₁是能量源到U₁的信道增益，h₂是能量源到U₂的信道增益；

步骤二：在α₁的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α′₁和α″₁，其值如下所示：

步骤三：用

表示α₂的可行区间的下边界值，将其初始化为0，用

表示α₂的可行区间的上边界值，将其初始化为

步骤四：在α₂的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α′₂和α″₂，其值如下所示：

步骤五：计算α₁＝α′₁,α₂＝α′₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α′₁,α₂＝α′₂)和α₁＝α′₁,α₂＝α″₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α′₁,α₂＝α″₂)，其中

其中，

是节点U_j的反向散射速率，γ_j根据

得到，其中η_j是节点U_j的能量收集效率，g_j是U_j到另一个节点的信道增益,σ²是高斯白噪声功率；

步骤六：若R_sum(α₁＝α′₁,α₂＝α′₂)＞R_sum(α₁＝α′₁,α₂＝α″₂)，

否则

步骤七：若

则转到步骤四，其中tol是预设置的收敛精度值；否则，记

记

跳到步骤八；

步骤八：

步骤九：在α₂的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α′₂和α″₂，其值如下所示：

步骤十：计算α₁＝α″₁,α₂＝α′₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α″₁,α₂＝α′₂)和计算α₁＝α″₁,α₂＝α′₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α″₁,α₂＝α″₂)；

步骤十一：若R_sum(α₁＝α″₁,α₂＝α′₂)＞R_sum(α₁＝α″₁,α₂＝α″₂)，

否则

步骤十二：若

则转到步骤九；否则，记

跳到步骤十三；

步骤十三：若R₁≥R₂，

的值保持不变；否则，

步骤十四：若

转步骤二；否则，跳到步骤十五；

步骤十五：返回

和

结束。

针对反向散射辅助的无线供能通信网络来说明本发明的具体实施方案。网络由一个射频能量源、多个双天线节点组成。本文研究两个邻近节点间的通信，两个节点用U_i表示，i＝1,2，节点U_i的储能容量是C_i。节点均配有反向散射通信模块和主动通信模块，U_i的反向散射速率表示为

在系统分配给U₁和U₂总可用时长T的情况下，整个时间块T被分为两个阶段，即反向散射通信/无线供能阶段和主动通信阶段。在第一阶段，能量源以发送功率P_A来广播射频信号，U₁和U₂分别进行α₁和α₂时长的反向散射辅助通信，U₁将信息发送给U₂，U₂将信息发送给U₁。由于节点具有双天线，第一阶段中，U₁和U₂同时进行能量捕获，节点的能量达到储能容量就停止能量捕获，捕获时长分别记为τ₁和τ₂。由于每个节点具有储能容量约束，以至于每个节点的能量采集时长受节点能量捕获时长阈值

的约束。在第二阶段，能量源不发送射频能量，U₁和U₂利用第一阶段采集的能量将信息以主动通信方式进行双向节点间通信。

使用高效的两层黄金分割搜索算法来确定α₁和α₂的取值。里层应用黄金分割搜索算法得到给定α₁取值下使总吞吐量达到最大的α₂值，外层应用黄金分割搜索算法得到使总吞吐量达到最大的α₁值。

Claims (2)

1.一种反向散射辅助的无线供能通信网络的节点间通信方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)对于无线供能通信网络中可捕获射频能量的装有双天线的两个邻近节点U₁和U₂，在网络系统安排的时长T内，首先能量源以发送功率P_A来广播射频信号，广播时长是α₁+α₂；在这段时长里，U₁和U₂分别进行α₁和α₂时长的反向散射辅助通信，U₁将信息发送给U₂，U₂将信息发送给U₁；在这段时长里，由于节点具有双天线，U₁和U₂同时进行能量捕获，节点的能量达到储能容量就停止能量捕获，捕获时长分别记为τ₁和τ₂；

2)然后U₁和U₂以频分复用的方式同时进行T-α₁-α₂时长的主动通信来互相发送数据，这段时间里能量源不发送射频信号。

2.根据权利要求1所述的一种反向散射辅助的无线供能通信网络的节点间通信方法，其特征在于，所述的时长α₁和α₂的取值确定过程包含如下步骤：

步骤一：用

表示α₁的可行区间的下边界值，将其初始化为0；用

表示α₁的可行区间的上边界值，将其初始化为

和

分别为节点U₁和U₂捕获射频能量的最大时长，通过

和

得到，其中C₁和C₂分别是U₁和U₂的储能容量，η₁和η₂分别是U₁和U₂的能量捕获效率，h₁是能量源到U₁的信道增益，h₂是能量源到U₂的信道增益；

步骤二：在α₁的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α'₁和α₁”，其值如下所示：

步骤三：用

表示α₂的可行区间的下边界值，将其初始化为0，用

表示α₂的可行区间的上边界值，将其初始化为

步骤四：在α₂的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α'₂和α”₂，其值如下所示：

步骤五：计算α₁＝α'₁,α₂＝α'₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α'₁,α₂＝α'₂)和α₁＝α'₁,α₂＝α”₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α'₁,α₂＝α”₂)，其中

其中，

是节点U_j的反向散射速率，γ_j根据

得到，其中η_j是节点U_j的能量收集效率，g_j是U_j到另一个节点的信道增益,σ²是高斯白噪声功率；

步骤六：若R_sum(α₁＝α'₁,α₂＝α'₂)＞R_sum(α₁＝α'₁,α₂＝α”₂)，

否则

步骤七：若

则转到步骤四，其中tol是预设置的收敛精度值；否则，记

记

跳到步骤八；

步骤八：

步骤九：在α₂的可行区间中取两个值，这两个值分别记为α'₂和α”₂，其值如下所示：

步骤十：计算α₁＝α₁”,α₂＝α'₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α₁”,α₂＝α'₂)和计算α₁＝α₁”,α₂＝α”₂时的吞吐量R_sum(α₁＝α₁”,α₂＝α”₂)；

步骤十一：若R_sum(α₁＝α₁”,α₂＝α'₂)＞R_sum(α₁＝α₁”,α₂＝α”₂)，

否则

步骤十二：若

则转到步骤九；否则，记

跳到步骤十三；

步骤十三：若R₁≥R₂，

的值保持不变；否则，

步骤十四：若

转步骤二；否则，跳到步骤十五；

步骤十五：返回

和

结束。

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