CN112566230A - 一种基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法，包括：获得无线携能通信系统的传播损耗；设定用于能量收集的功率分配因子，并获得所述功率分配因子与平均收集能量、能量效率及服务中断概率的关系；通过所述功率分配因子与平均收集能量、能量效率及服务中断概率的关系衡量系统性能，确定所述功率分配因子的取值。该方法通过选择合理的功率分配因子，将接收机接收的信号按照一定比例分别分配给能量接收机和信息接收机，用以进行能量收集和信息解调，既可以考虑到能量，又可以考虑到速率，达到两者之间的权衡。

Description

一种基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法。

背景技术

近年来，随着能量资源的日益紧缺，高效节能的通信方式已经成为通信技术中新的研究热点。其中无线携能通信技术利用射频信号，既能作为能量传输的媒介又能作为信息传输媒介的特性，将无线能量传输技术和无线信息传输系统结合在一起，得到了大量研究人员的关注，具有广泛的应用前景。不同于电池供电的传统网络，无线携能通信具有能量收集功能的无线网络，潜在地可获得来自环境的无限能量供应。除了其他常用能源，如太阳能和风能，无线电信号也可以是无线能量收集的可行的新来源。

无线携能通信系统接收端可以具有两种不同类型的接收器，分别是信息接收器和能量接收器，用于信息解码和能量收集。在功率分配模式下，接收机将接收到的信号按照一定的功率分配因子分成两部分，一部分进入信息解码电路，另一部分流向能量采集模块，以此来实现数据传输与电池充电之间的平衡。除了满足传统的服务质量要求，系统整体的吞吐量和系统公平性以及实现信息传输过程中系统能量和信息速率的折中，是当前研究的热点。特别是在能量和速率折中这个问题上许多国内外学者均有研究：Sahai通过能量分配进行能量转移，将较少的信息和能量服从于共同通道；L.liu研究了干扰信道，目标是实现不同的消耗能量和速率能量的折中；Y.Dzhang考虑不完全信道状态信息在发射机的MIMO(多入多出)继电器系统，同时对能量采集接收机进行了研究设计了联合最优源和继电保护程序，在能量传递和能量传递之间实现不同的折中信息率；K.Huang等人研究了功率转移，在数据中断概率约束下，得到网络参数之间的折中。综上所述，近年来国内外在无线携能接收机领域的相关研究虽有突破，但大多还停留在研究室阶段，对于以实现高速通信为目标的无线携能接收机研究更鲜有报道。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法，包括：

S1：获得无线携能通信系统的传播损耗；

S2：设定用于能量收集的功率分配因子，并获得所述功率分配因子与平均收集能量、能量效率及服务中断概率的关系；

S3：通过所述功率分配因子与平均收集能量、能量效率及服务中断概率的关系衡量系统性能，确定所述功率分配因子的取值。

在本发明的一个实施例中，所述S1包括：

S11：设定所述无线携能通信系统的信道传输模型为Cost231 hata模型；

S12：获得所述信道传输模型的基站天线有效高度h_b：

h_b＝h_s+h_g-h_mg，

其中，h_s为基站天线离地面的高度，h_g为基站地面的海拔高度，h_mg为移动台距地面的海拔高度；

S13：利用基站天线有效高度h_b获得所述信道传输模型的传播损耗L_d，计算公式为：

L_d＝46.3+33.9lgf-13.82lgh_b-a(h_m)+(44.9-6.55lgh_b)lgd+C_m

其中，d为传输距离，f为所使用的频段，单位是MHz，h_m为移动台天线有效高度，a(h_m)是移动天线高度修正因子，h_b为基站天线有效高度，C_m为修正因子。

在本发明的一个实施例中，所述S2包括：

S21：设定用于能量收集的功率分配因子ρ；

S22：获得接收端接收到的总信号P_R：

P_R＝θHP_T+N，

其中，P_T为发射功率，H为平均信道增益，θ为由大尺度衰落带来的信道功率增益，N为独立的高斯白噪声；

S23：计算获得平均信道增益H的方差：

其中，L_d表示数据传输阶段的传播损耗，

为独立的高斯白噪声n的方差；

S24：获得所述无线携能通信系统的遍历容量C(ρ)，计算公式为：

其中，E{·}为期望算子；

S25：获得接收端的平均收集能量Q(ρ)，计算公式为：

S26：获得平均可达速率R(ρ)，计算公式为：

其中，H为平均信道增益，ρ为功率分配因子，θ表示由大尺度衰落带来的信道功率增益，P_T为发射功率，

为独立的高斯白噪声n的方差；

S27：计算获得服务中断概率：

其中，r为设定的阈值信息率；

S28：计算获得能量效率η(ρ)：

在本发明的一个实施例中，所述S3包括：

根据所述功率分配因子与平均收集能量、能量效率及服务中断概率的关系，利用MATLAB仿真技术确定所述功率分配因子的取值。

在本发明的一个实施例中，所述功率分配因子的取值为0.1-0.3。

本发明的另一方面提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述实施例中任一项所述的基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法，通过选择合理的功率分配因子，将接收机接收的信号按照一定比例分别分配给能量接收机和信息接收机，用以进行能量收集和信息解调。该方法既可以考虑到能量，又可以考虑到速率，达到两者之间的权衡。通过理论分析及MATLAB仿真分析，最终结果表明，使用本发明的方法后，无线携能接收机的能量效率能够得到有效的提升，实现系统的平均可达速率及能量收集的性能折中。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法的流程框图；

图2是本发明实施例提供的一种无线携能通信功率分配模式下的资源分配模型示意图；

图3是本发明实施例提供的方法在不同功率分配因子下的平均可达速率随信道增益的变化曲线图；

图4是利用本发明实施例提供的方法得到的平均信道增益与能量效率的曲线图；

图5是本发明实施例提供的方法在不同功率分配因子下的平均收集能量随信道增益的变化曲线图；

图6是利用本发明实施例提供的方法得到的平均可达速率与平均收集能量的折中曲线图；

图7是本发明实施例提供的方法在不同功率分配因子下的系统服务中断概率随发射功率的变化曲线图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法的流程框图。该方法包括：

S1：获得无线携能通信系统的传播损耗；

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种无线携能通信功率分配模式下的资源分配模型示意图。如图所示，接收机被分为能量接收机和信息接收机，能量接收机将一部分信息用来进行能量采集，以确保移动终端的供电，信息接收机将剩余信息用来进行信息交互。

具体地，S1包括：

S11：设定所述无线携能通信系统的信道传输模型为Cost231 hata模型；

具体地，基站与移动终端之间采用多输入多输出的点对点传输模型，在基站侧配备N_t＞1根天线，将能量接收机和信息接收机安装在参数为N_EH＞1和N_ID＞1根天线的接收端，其中，N_t为基站的天线数量，N_EH为能量接收机的天线数量，N_ID为信息接收机的天线数量。

S12：获得Cost231 hata模型的基站天线有效高度h_b：

h_b＝h_s+h_g-h_mg，

其中，h_s为基站天线离地面的高度，h_g为基站地面的海拔高度，h_mg为移动台距地面的海拔高度。

S13：利用基站天线有效高度h_b获得Cost231 hata模型的传播损耗L_d，计算公式为：

L_d＝46.3+33.9lgf-13.82lgh_b-a(h_m)+(44.9-6.55lgh_b)lgd+C_m

其中，d为传输距离，f为所使用的频段，单位是MHz，h_m为移动台天线有效高度，a(h_m)是移动天线高度修正因子，a(h_m)＝3.2(log₁₀(11.75h_m))²-4.97，h_b为基站天线有效高度，C_m是修正因子，通常取3dB。S2：设定用于能量收集的功率分配因子，并获得所述功率分配因子与平均收集能量、能量效率及服务中断概率的关系。

具体地，步骤S2包括：

S21：设定用于能量收集的功率分配因子ρ；

本步骤提出了一种动态能量分析法，使接收机能够在任何时间内从同一接收信号中获取能量和解码信息，设定用于能量收集的功率分配因子ρ，0＜ρ＜1，则1-ρ为用于信息解码的功率分配因子。

S22：获得接收端接收到的总信号P_R：

P_R＝θHP_T+N，

其中，P_T为发射功率，θ为由大尺度衰落带来的信道功率增益，H为平均信道增益，服从独立同分布的高斯随机变量，N为独立的高斯白噪声，本实施例假设平均信道增益在一个传输块中保持不变，并在下一个传输块中改变为独立值，同时忽略天线噪声。

S23：计算获得平均信道增益H的方差，计算公式为：

其中，L_d表示数据传输阶段的传播损耗，L_d为整数且不小于1，

为独立的高斯白噪声n的方差。

S24：获得所述无线携能通信系统的遍历容量C(ρ)，计算公式为：

其中，E{·}为期望算子。

S25：获得接收端的平均收集能量Q(ρ)，计算公式为：

S26：获得平均可达速率R(ρ)，计算公式为：

其中，H为平均信道增益，ρ为功率分配因子，θ表示由大尺度衰落带来的信道功率增益，P_T为发射功率，

为独立的高斯白噪声n的方差。需要说明的是，在本实施例中，忽略噪声干扰。

S27：计算获得服务中断概率：

其中，r为设定的阈值信息率，可以根据实际要求进行设定。

中断概率是指传输速率小于目标速率时，数据传输效果不理想，认为网络传输中断，在这里可以映射为系统能量收集小于能量消耗。

S28：计算获得能量效率η(ρ)：

根据能量效率η(ρ)可使得平均可达速率与平均收集能量达到一个折中关系，此时的功率分配因子ρ能使系统吞吐量最大。

S3：通过所述功率分配因子与平均收集能量、能量效率及服务中断概率的关系多方面衡量系统性能，确定所述功率分配因子的取值以满足系统的传输需求。

在本实施例中，通过能量效率、平均收集能量、服务中断概率等指标多方面衡量系统性能，进行仿真验证，最终确定一个合理的功率分配因子ρ的取值，满足系统的传输需求。

具体地，对本发明实施例的方法进行仿真分析。在仿真实验中，基站配备天线数为2，发射功率为30dBm，带宽为900MHz，发射机与接收机距离为1m，信道条件为准静态衰落信道。请参见图3，图3是本发明实施例提供的方法在不同功率分配因子下平均可达速率随平均信道增益的变化曲线图。可以看出，当功率分配因子ρ与基站天线数N_t固定时，平均可达速率R(ρ)首先随着平均信道增益H增加而上升，到达峰值后又逐渐降低。这是因为H→0时，平均可达速率R(ρ)趋近于

因而当H逐渐增大时，可达速率得到提升。请参见图4，图4是利用本发明实施例提供的方法得到的平均信道增益与能量效率的曲线图，可以得出，在信道条件较好时，本发明实施例的方法可使系统可达速率提高。

请参见图5，图5是本发明实施例提供的方法在不同功率分配因子下的平均收集能量随平均信道增益的变化曲线图。可以看出，当功率分配因子ρ与基站天线数N_t固定时，系统平均收集能量Q(ρ)随着平均信道增益H逐渐变大，这是由于当发送信号功率不变时，信道增益越大，因而将有更多的能量比例用于能量接收，具体表现为系统平均收集能量Q(ρ)逐渐增大。另一方面，平均信道增益H固定时，随着功率分配因子ρ逐渐增大，平均收集能量的值也在增大，这是因为信道条件固定、资源块长度固定时，提高功率分配因子的同时也降低了接收机进行信息解调的能量比例，因此平均收集能量Q(ρ)逐渐增加。可以得出，信道条件越好，本发明实施例的方法可使系统平均收集能量更多。

请参见图6，图6是利用本发明实施例提供的方法得到的平均可达速率与平均收集能量的折中曲线图。从图6中可以看出，收集能量增加的同时传输速率下降，符合能量守恒定律。传感器在正常工作状况下收集能量功率应不小于28μW，而一个传感器系统正常的吞吐量大致为6.5×103bps，在系统正常工作状态下，平均可达速率大于0.2bps/Hz时才能满足正常需求。而接收机采集能量速率应不低于能量消耗速率，为满足该要求，平均收集能量应不小于22μW，这样系统便能正常运作，达到获取能量和信息传输并进。因此，在此区间内可以使得接收机达到速率和能量的折中。

请参见图7，图7是本发明实施例提供的方法在不同功率分配因子下的系统服务中断概率随发射功率的变化曲线图。服务中断概率在发射功率低于15dBm的条件下其值恒为1，这是由于接收机所收集的能量过少，不够维持系统正常工作所需要的能量；接收机接收信号的功率随着发射功率变大而逐步增大，同时，能量接收机接收到的信号功率也随之增加，服务中断的概率也随之下降。

综合以上结果，可以看出，本发明实施例提出的方法给出功率分配因子ρ一个适合的范围，在ρ∈[0.1,0.3]时能同时满足系统能量采集和信息传输的要求，并且中断概率也处于较低的数值，从而使得系统吞吐量增大，提高用户服务质量。

本发明提出了一种基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法，通过选择合理的功率分配因子，将接收机接收的信号按照一定比例分别分配给能量接收机和信息接收机，用以进行能量收集和信息解调。该方法既可以考虑到能量，又可以考虑到速率，达到两者之间的权衡。通过理论分析及MATLAB仿真分析，最终结果表明，使用本发明的方法后，无线携能接收机的能量效率能够得到有效的提升，实现系统的平均可达速率及能量收集的性能折中。

本发明的又一实施例提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述实施例中所述无线携能接收机资源分配方法的步骤。本发明的再一方面提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如上述实施例所述无线携能接收机资源分配方法的步骤。具体地，上述以软件功能模块的形式实现的集成的模块，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能模块存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法，其特征在于，包括：

S1：获得无线携能通信系统的传播损耗；

S2：设定用于能量收集的功率分配因子，并获得所述功率分配因子与平均收集能量、能量效率及服务中断概率的关系；

S3：通过所述功率分配因子与平均收集能量、能量效率及服务中断概率的关系衡量系统性能，确定所述功率分配因子的取值。

2.根据权利要求1所述的基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法，其特征在于，所述S1包括：

S11：设定所述无线携能通信系统的信道传输模型为Cost231 hata模型；

S12：获得所述信道传输模型的基站天线有效高度h_b：

h_b＝h_s+h_g-h_mg，

其中，h_s为基站天线离地面的高度，h_g为基站地面的海拔高度，h_mg为移动台距地面的海拔高度；

S13：利用基站天线有效高度h_b获得所述信道传输模型的传播损耗L_d，计算公式为：

L_d＝46.3+33.9lgf-13.82lgh_b-a(h_m)+(44.9-6.55lgh_b)lgd+C_m

其中，d为传输距离，f为所使用的频段，单位是MHz，h_m为移动台天线有效高度，a(h_m)是移动天线高度修正因子，h_b为基站天线有效高度，C_m为修正因子。

3.根据权利要求2所述的基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法，其特征在于，所述S2包括：

S21：设定用于能量收集的功率分配因子ρ；

S22：获得接收端接收到的总信号P_R：

P_R＝θHP_T+N，

其中，P_T为发射功率，H为平均信道增益，θ为由大尺度衰落带来的信道功率增益，N为独立的高斯白噪声；

S23：计算获得平均信道增益H的方差：

其中，L_d表示数据传输阶段的传播损耗，

为独立的高斯白噪声n的方差；

S24：获得所述无线携能通信系统的遍历容量C(ρ)，计算公式为：

其中，E{·}为期望算子；

S25：获得接收端的平均收集能量Q(ρ)，计算公式为：

S26：获得平均可达速率R(ρ)，计算公式为：

其中，H为平均信道增益，ρ为功率分配因子，θ表示由大尺度衰落带来的信道功率增益，P_T为发射功率，

为独立的高斯白噪声n的方差；

S27：计算获得服务中断概率：

其中，r为设定的阈值信息率；

S28：计算获得能量效率η(ρ)：

4.根据权利要求3所述的基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法，其特征在于，所述S3包括：

根据所述功率分配因子与平均收集能量、能量效率及服务中断概率的关系，利用MATLAB仿真技术确定所述功率分配因子的取值。

5.根据权利要求4所述的基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法，其特征在于，所述功率分配因子的取值为0.1-0.3。

6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行权利要求1至5中任一项所述的基于功率分配的无线携能接收机资源分配方法的步骤。

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