CN112087721B - 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

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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PA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
Figure BDA0002625024980000021
表示α1的可行区间的下边界值，将其初始化为0；用/>
Figure BDA0002625024980000022
表示α1的可行区间的上边界值，将其初始化为/>
Figure BDA0002625024980000023
Figure BDA0002625024980000024
和/>
Figure BDA0002625024980000025
分别为节点U1和U2捕获射频能量的最大时长，通过/>
Figure BDA0002625024980000026
和/>
Figure BDA0002625024980000027
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：
Figure BDA0002625024980000031
Figure BDA0002625024980000032
步骤三：用
Figure BDA0002625024980000033
表示α2的可行区间的下边界值，将其初始化为0，用/>
Figure BDA0002625024980000034
表示α2的可行区间的上边界值，将其初始化为/>
Figure BDA0002625024980000035
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：
Figure BDA0002625024980000036
Figure BDA0002625024980000037
步骤五：计算α1＝α′1,α2＝α′2时的吞吐量Rsum(α1＝α′1,α2＝α′2)和α1＝α′1,α2＝α″2时的吞吐量Rsum(α1＝α′1,α2＝α″2)，其中
Figure BDA0002625024980000038
其中，
Figure BDA0002625024980000039
是节点Uj的反向散射速率，γj根据/>
Figure BDA00026250249800000310
得到，其中ηj是节点Uj的能量收集效率，gj是Uj到另一个节点的信道增益,σ2是高斯白噪声功率；
步骤六：若Rsum(α1＝α′1,α2＝α′2)＞Rsum(α1＝α′1,α2＝α″2)，
Figure BDA0002625024980000041
否则
Figure BDA0002625024980000042
步骤七：若
Figure BDA0002625024980000043
则转到步骤四，其中tol是预设置的收敛精度值；否则，记
Figure BDA0002625024980000044
记/>
Figure BDA0002625024980000045
跳到步骤八；
步骤八：
Figure BDA0002625024980000046
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：
Figure BDA0002625024980000047
Figure BDA0002625024980000048
步骤十：计算α1＝α″1,α2＝α′2时的吞吐量Rsum(α1＝α″1,α2＝α′2)和计算α1＝α″1,α2＝α″2时的吞吐量Rsum(α1＝α″1,α2＝α″2)；
步骤十一：若Rsum(α1＝α″1,α2＝α′2)＞Rsum(α1＝α″1,α2＝α″2)，
Figure BDA0002625024980000049
否则
Figure BDA00026250249800000410
步骤十二：若
Figure BDA00026250249800000411
则转到步骤九；否则，记
Figure BDA00026250249800000412
跳到步骤十三；
步骤十三：若R1≥R2，
Figure BDA00026250249800000413
Figure BDA00026250249800000414
的值保持不变；否则，
Figure BDA00026250249800000415
步骤十四：若
Figure BDA00026250249800000416
转步骤二；否则，跳到步骤十五；
步骤十五：返回
Figure BDA00026250249800000417
和/>
Figure BDA00026250249800000418
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PA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
Figure BDA0002625024980000051
表示α1的可行区间的下边界值，将其初始化为0；用/>
Figure BDA0002625024980000052
表示α1的可行区间的上边界值，将其初始化为/>
Figure BDA0002625024980000053
Figure BDA0002625024980000054
和/>
Figure BDA0002625024980000061
分别为节点U1和U2捕获射频能量的最大时长，通过/>
Figure BDA0002625024980000062
和/>
Figure BDA0002625024980000063
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：
Figure BDA0002625024980000064
Figure BDA0002625024980000065
步骤三：用
Figure BDA0002625024980000066
表示α2的可行区间的下边界值，将其初始化为0，用/>
Figure BDA0002625024980000067
表示α2的可行区间的上边界值，将其初始化为/>
Figure BDA0002625024980000068
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：
Figure BDA0002625024980000069
Figure BDA00026250249800000610
步骤五：计算α1＝α′1,α2＝α′2时的吞吐量Rsum(α1＝α′1,α2＝α′2)和α1＝α′1,α2＝α″2时的吞吐量Rsum(α1＝α′1,α2＝α″2)，其中
Figure BDA00026250249800000611
其中，
Figure BDA0002625024980000071
是节点Uj的反向散射速率，γj根据/>
Figure BDA0002625024980000072
得到，其中ηj是节点Uj的能量收集效率，gj是Uj到另一个节点的信道增益,σ2是高斯白噪声功率；
步骤六：若Rsum(α1＝α′1,α2＝α′2)＞Rsum(α1＝α′1,α2＝α″2)，
Figure BDA0002625024980000073
否则
Figure BDA0002625024980000074
步骤七：若
Figure BDA0002625024980000075
则转到步骤四，其中tol是预设置的收敛精度值；否则，记
Figure BDA0002625024980000076
记/>
Figure BDA0002625024980000077
跳到步骤八；
步骤八：
Figure BDA0002625024980000078
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：
Figure BDA0002625024980000079
Figure BDA00026250249800000710
步骤十：计算α1＝α″1,α2＝α′2时的吞吐量Rsum(α1＝α″1,α2＝α′2)和计算α1＝α″1,α2＝α′2时的吞吐量Rsum(α1＝α″1,α2＝α″2)；
步骤十一：若Rsum(α1＝α″1,α2＝α′2)＞Rsum(α1＝α″1,α2＝α″2)，
Figure BDA00026250249800000711
否则
Figure BDA00026250249800000712
步骤十二：若
Figure BDA00026250249800000713
则转到步骤九；否则，记
Figure BDA00026250249800000714
跳到步骤十三；
步骤十三：若R1≥R2，
Figure BDA00026250249800000715
Figure BDA00026250249800000716
的值保持不变；否则，
Figure BDA00026250249800000717
步骤十四：若
Figure BDA0002625024980000081
转步骤二；否则，跳到步骤十五；
步骤十五：返回
Figure BDA0002625024980000082
和/>
Figure BDA0002625024980000083
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Ui表示，i＝1,2，节点Ui的储能容量是Ci。节点均配有反向散射通信模块和主动通信模块，Ui的反向散射速率表示为
Figure BDA0002625024980000084
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PA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
Figure BDA0002625024980000085
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 (1)

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PA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；
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
Figure FDA0004171045760000011
表示α1的可行区间的下边界值，将其初始化为0；用/>
Figure FDA0004171045760000012
表示α1的可行区间的上边界值，将其初始化为/>
Figure FDA0004171045760000013
Figure FDA0004171045760000014
和/>
Figure FDA0004171045760000015
分别为节点U1和U2捕获射频能量的最大时长，通过/>
Figure FDA0004171045760000016
和/>
Figure FDA0004171045760000017
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：
Figure FDA0004171045760000021
Figure FDA0004171045760000022
步骤三：用
Figure FDA0004171045760000023
表示α2的可行区间的下边界值，将其初始化为0，用/>
Figure FDA0004171045760000024
表示α2的可行区间的上边界值，将其初始化为/>
Figure FDA0004171045760000025
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：
Figure FDA0004171045760000026
Figure FDA0004171045760000027
步骤五：计算α1＝α′1,α2＝α'2时的吞吐量Rsum(α1＝α′1,α2＝α'2)和α1＝α′1,α2＝α″2时的吞吐量Rsum(α1＝α′1,α2＝α″2)，其中
Figure FDA0004171045760000028
其中，
Figure FDA00041710457600000215
是节点Uj的反向散射速率，γj根据/>
Figure FDA0004171045760000029
得到，其中ηj是节点Uj的能量收集效率，gj是Uj到另一个节点的信道增益,σ2是高斯白噪声功率；
步骤六：若Rsum(α1＝α′1,α2＝α'2)＞Rsum(α1＝α′1,α2＝α″2)，
Figure FDA00041710457600000210
否则/>
Figure FDA00041710457600000211
步骤七：若
Figure FDA00041710457600000212
则转到步骤四，其中tol是预设置的收敛精度值；否则，记
Figure FDA00041710457600000213
记/>
Figure FDA00041710457600000214
跳到步骤八；
步骤八：
Figure FDA0004171045760000031
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：
Figure FDA0004171045760000032
Figure FDA0004171045760000033
步骤十：计算α1＝α″1,α2＝α'2时的吞吐量Rsum(α1＝α″1,α2＝α'2)和计算α1＝α″1,α2＝α″2时的吞吐量Rsum(α1＝α″1,α2＝α″2)；
步骤十一：若Rsum(α1＝α″1,α2＝α'2)＞Rsum(α1＝α″1,α2＝α″2)，
Figure FDA0004171045760000034
否则/>
Figure FDA0004171045760000035
步骤十二：若
Figure FDA0004171045760000036
则转到步骤九；否则，记
Figure FDA0004171045760000037
跳到步骤十三；
步骤十三：若R1≥R2，
Figure FDA0004171045760000038
Figure FDA0004171045760000039
的值保持不变；否则，
Figure FDA00041710457600000310
步骤十四：若
Figure FDA00041710457600000311
转步骤二；否则，跳到步骤十五；
步骤十五：返回
Figure FDA00041710457600000312
和/>
Figure FDA00041710457600000313
结束。
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