CN112888020A - 一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信物联网领域，具体涉及一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，该方法包括：能量节点EN分别向设备X和设备Y传输能量；设备X和设备Y在接收到能量后，设备X和设备Y相互传输各自的信息，目的信息节点分别向设备X和设备Y发送时间反演信息TR；设备X和设备Y接收时间反演信息TR后，设备X和设备Y分别对信息进行时间反演，并将反演后的信息发送给目的信息节点；本发明通过优化无线能量传输，TR导频时间，用户消息交换和联合信息传输上的时间分配提升在信息发送阶段X,Y的吞吐量，进而提升整个系统的吞吐量，并且实现最大化的用户公平。

Description

一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法

技术领域

本发明属于通信物联网领域，具体涉及一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法。

背景技术

无线通信的飞速发展以及接入网络终端数的飞速增长，使得未来无线通信系统中将大量存在以传感器节点为代表的物联网设备，这些无线设备通常由电池供电，一旦能量耗尽，电池必须被更换或者充电，并且通常是昂贵的，尤其在大规模无线网络中。最近，射频能量收集技术被认为是延长能量受限无线网络寿命的一种新的可行且有前途的解决方案，这项技术开辟了一个新的范例，称为无线供电网络。

无线供电网络中有一种“先采集后发射”的协议，一个混合接入点首先向下行链路中的所有用户广播射频能量，然后在上行链路中使用它们获得的能量向混合接入点发送它们的信息，如图1所示，图1中混合接入点先在下行链路向设备1，2同时通过射频方式传输能量，设备1，2用接收到的能量在上行链路分别向混合接入点通过射频方式传输信息。

时间反演(TR)技术是一种在时间和空间域集中信号波功率的技术，它的传输原理是：当收发信机甲想向收发信机乙发送信息时。收发信机乙先必须发送一个类似脉冲的导频信号，该信号通过散射和多径环境传播，本质上环境充当了一个完美匹配滤波器，产生的波形由收发信机甲接收和记录。这称为信道探测阶段。此后，收发信机对接收波形进行时间反转(如果信号是复值的，则进行共轭)，然后通过相同的信道将其发送回收发信机乙。

无线供电网络中的“双远近”问题:正如图2所示，假设两个设备距离混合接入点距离不同，距离混合接入点远的设备在系统运作时接收更少的能量，但却要以更高的功率给混合接入点发送信息，距离混合接入点较近的设备接收的能量更多，在传输信息阶段却需要更低的功率，这样造成系统吞吐量降低，用户间的不公平。

发明内容

为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，该方法包括：能量节点EN分别向设备X和设备Y传输能量；设备X和设备Y在接收到能量后，设备X和设备Y相互传输各自的信息，目的信息节点分别向设备X和设备Y发送时间反演信息TR；设备X和设备Y接收时间反演信息TR后，设备X和设备Y分别对信息进行时间反演，并将反演后的信息发送给目的信息节点。

优选的，能量节点EN向设备X和设备Y传输的能量为：

E_X＝ηt₀P₀H_EX

E_Y＝ηt₀P₀H_EY

优选的，设备X和设备Y相互传输各自的信息的具体过程包括：设备X在t₁阶段将待传输的信息发送给设备Y，使得设备Y中存储有设备X的传输的信息；设备Y在t₂阶段将待传输的信息发送给设备X，使得设备X中存储有设备Y的传输信息。

进一步的，设备Y接收的信号为：

优选的，设备X和设备Y分别对信息进行时间反演的过程包括：设备X和设备Y接收目的信息节点发送的TR信号，该信号包括目的信息节点分别到设备X、设备Y的信道状态信息；设备X和Y接收到TR信号后，对TR信号进行信号反演操作；在对信号进行反演过程中，对反演的信道进行签名；将设备X或者Y中待发送的信息与时间反演操作后的TR信号进行卷积，将卷积后的信号通过签名的信道传输到目的信息节点。

进一步的，时间反演的信道签名为：

优选的，采用Alamouti空时分组码分集发射方法将时间反演后的信息发送给目的信息节点；在进行数据传输过程中，计算系统的吞吐量，当达到最大吞吐量时，得到最优的数据传输路径。

进一步的，计算系统最优吞吐量的过程包括：利用给出的最优时间分配算法求解出各个时隙的具体值，带到相应的吞吐量公式中，求出最优吞吐量。

进一步的，系统的吞吐量为：

s.t.t₀+t₁+t₂+t₃+t₄＝1

P_X≥0，P_Y≥0

本发明在现有模型中加入时间反演技术，通过优化无线能量传输，TR导频时间，用户消息交换和联合信息传输上的时间分配提升在t₄阶段X，Y的吞吐量，进而提升整个系统的吞吐量，并且实现最大化的用户公平。

附图说明

图1为先采集后发射协议的系统结构图；

图2为无线供电网络中的“双远近”网络结构图；

图3为能量接入点和信息接入点分开部署结构图；

图4为近端设备作为远端设备中继的协作转发信息图；

图5为现有技术中的信息转发图；

图6为本发明的信息转发图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，如图3所示，在t₀阶段(CE)先执行信道估计，能量节点EN(Energy Node)在t₁阶段向设备X，Y同时传输能量，在t₂阶段设备X用采集到的能量向信息节点DN传输信息，在t₃阶段设备Y用采集到的能量向信息节点DN传输信息。

一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，图4中系统，在t₀阶段(CE)先执行信道估计，能量节点EN(Energy Node)在t₁阶段向设备X，Y同时传输能量，在t₂阶段设备Y利用采集到的能量向设备X发送自己要传输的信息，在

阶段，设备X利用采集到的能量向信息节点DN中继转发设备Y的信息，在

阶段，设备X利用采集到的能量向信息节点DN传输自己的信息。

一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，如图5所示，在t₀阶段(CE)先执行信道估计，能量节点EN(Energy Node)在t₁阶段向设备X，Y同时传输能量，在t₂阶段设备X利用采集的能量向设备Y发送自己要传输的信息，在t₃阶段设备Y利用采集的能量向设备X发送自己要传输的信息，在

阶段设备X，Y联合向信息节点传输设备X的信息，在

阶段设备X，Y联合向信息节点传输设备Y的信息。

一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，如图6所示，该方法包括：能量节点EN分别向设备X和设备Y传输能量；设备X和设备Y在接收到能量后，设备X和设备Y相互传输各自的信息，目的信息节点分别向设备X和设备Y发送时间反演信息TR；设备X和设备Y接收时间反演信息TR后，设备X和设备Y分别对信息进行时间反演，并将反演后的信息发送给目的信息节点。

在WPCN场景下，无线电网络包括能量节点EN、设备以及目的信息节点DN；设备首先从能量节点EN获取射频能量，然后相互合作将数据传输到目的信息节点DN。由于能量节点EN提供恒定的能量，且设备中没有其他嵌入式能源，在系统运作中，设备将从能量节点EN中获取的射频能量存储在可充电电池中，设备利用存储在电池中的能量向目的信息节点传输信息。在传输信息过程中，每个节点配有单天线，因此，对于每个设备的天线，均采用时分复用双工方式TDD收集能量和通信。

若所有信道都是互易的，且都在准静态平坦衰落下，信道增益在每个持续时间T的传输块中保持不变，但在不同传输块发生变化。假定能量节点EN和设备X，Y之间的信道增益分别是h_EX，h_EY；X到Y和Y到X之间的信道增益分别为h_XY、h_YX；X和Y到目的信息节点DN之间的信道增益分别为h_XD、h_YD；假定在每个传输块ED有h_EX、h_EY的信息，X和Y也有相互的h_XY、h_YX和到DN的h_XD、h_YD；根据上述信息，采用时分复用的方式，将整个数据传输时间划分为5个时隙，若每次设备在传输过程中均耗光了在能量传输阶段收集的能量，并全部用于信息传输，则有：

在t₀阶段，能量节点(EN)向设备X，Y同时传输能量；

在t₁阶段，设备X向Y传输自己的信息；

在t₂阶段，设备Y向X传输自己的信息；

在t₃阶段，信息节点(DN)向X，Y发送TR导频信号；

在t₄阶段，X，Y运用时间反演技术联合向信息节点传输信息；

在

阶段，X，Y运用时间反演技术联合向信息节点(DN)传输X的信息；

在

阶段，X，Y运用时间反演技术联合向信息节点(DN)传输Y的信息。

在上述的各个阶段中，各个阶段的时间满足：

t₀+t₁+t₂+t₃+t₄＝T

其中，t₀表示能量节点向设备传输能量所需要的时间，t₁表示设备X向设备Y传输信息所需要的时间，t₂表示设备Y向设备X传输信息所需要的时间，t₃表示目的信息节点向设备发送时间反演信息TR所需要的时间，t₄表示设备将时间反演后的信息发送给目的信息节点所需要的时间。

优选的，在进行数据传输的过程中，将传输的周期T设置为1，即T＝1。

在t₀阶段，采用P₀表示能量节点的传输功率，当功率足够大时，可以忽略从噪声中获取的能量，则此时，能量节点EN向设备X和设备Y传输的能量为：

E_X＝ηt₀P₀H_EX

E_Y＝ηt₀P₀H_EY

其中，0＜η＜1，η表示设备能量获取效率，t₀表示能量节点向设备传输能量的时间，P₀表示能量节点的功率，H_EX表示，EX表示。

在传输信息阶段，设备X、Y的发射功率分别为：

若设备X在t₁阶段发射的信号为X₁，则设备Y的接收信号为：

其中，

表示设备Y接收到的噪声，

表示设备X的发射信号，h_XY表示设备X到设备Y的信道增益，X表示设备X，Y表示设备Y。

若所有的接收端的噪声均为N₀，则设备X的吞吐量为：

在t₂阶段，设备Y的吞吐量为：

在t₃阶段，DN向设备X、Y发送导频信号，由于该阶段与系统的吞吐量无关，所以需要该阶段的时间需要尽可能的小，以增大能量传输和信息传输阶段时间，但是要保障距离混合接入点最远的设备能够完成时间反演。若设备距离混合接入点的最远距离为d，则

其中，

表示第三个时隙，v₀表示信息传输速率。

在t₃阶段发送的导频信号，由特定多径环境产生，由此产生的“隧道效应”使设备X，Y在t₄阶段独立地在各自的路径发送信号，有效抵抑制了干扰。经过时间反演的信道签名为：

其中，

表示信息节点到设备X或者Y的信道状态信息(共轭操作后)，*表示共轭，L表示路径总数，l表示多径环境中的路径，

表示路径响应。

时间反演信道签名就是体现时间反演的多径效果，在t₃阶段信息节点DN发送TR信号，这个信号包含了CSI(信道状态信息)，CSI由多条路径(L)组成，在设备X，Y进行时间反演操作后，也就是说同时对每条路径进行了标记，每条路径都有自己的信道签名，这样设备X或者Y可以把经过时间反演操作的信号按原路径(即原来的L条路径)传输到信息节点DN，设备X，Y向信息节点发送最终处理好的信号时用的信道，为TR信号探测出信息节点DN到设备X或者Y的包含多条路径的信道，设备X或者Y经过时间反演操作对每条路径标记，再将自己的信息通过这些标记的路径回传到信息节点DN。

在t₄阶段，采用Alamouti空时分组码(STBC)分集发射方法对信息进行发送，在

的条件下进行联合信息传输，当两个设备X，Y分别以传输功率P_X，P_Y发射信息时，经过时间反演操作，设备X在该时间段可实现的吞吐量为：

其中，

表示设备X的信号签名矩阵的转置，H表示共轭转置，

表示设备X时间反演主瓣信道增益，h_XD表示设备X到信息节点DN的信道增益，

表示设备X时间反演旁瓣干扰，

表示设备Y的信号签名矩阵的转置，

表示设备Y时间反演主瓣信道增益，h_YD表示设备Y到信道节点DN的信道增益，

表示设备Y时间反演旁瓣干扰，N₀表示接收端的噪声。

在t₄阶段，设备X和设备Y的吞吐量大小相同，即

其中，

表示H_X的第L行向量，H_X表示DN到设备X所形成的拓普利兹矩阵，g_X表示设备X的信号签名矩阵，

表示设备X向DN传输数据时的码间干扰(ISI)。此系统采用时分复用方式，且在只有两个设备的情况下，用户间干扰可以忽略。

在整个系统中，设备X、Y的吞吐量分别为：

在WPCN场景中，由于能量采集性能和信息传输功耗的差异，设备数据率可能会有显著差异，根据系统吞吐量常用标准，采用两个设备吞吐量最小的作为此系统吞吐量指标，即：

R＝min(R_X，R_Y)

整个系统的最大吞吐量为：

s.t.t₀+t₁+t₂+t₃+t₄＝1

P_X≥0，P_Y≥0

其中，R_X表示设备X的吞吐量，R_Y表示设备Y的吞吐量，t表示时间，p表示发射功率，t₀表示能量节点向设备传输能量所需要的时间，t₁表示设备X向设备Y传输信息所需要的时间，t₂表示设备Y向设备X传输信息所需要的时间，t₃表示目的信息节点向设备发送时间反演信息TR所需要的时间，t₄表示设备将时间反演后的信息发送给目的信息节点所需要的时间，

表示t₃(第三个时隙)，d表示信息节点DN到设备X或者Y的距离，v₀表示信息节点DN到设备X或者Y的信息传输速率，P_X表示设备X的发射功率，P_Y表示设备Y的发射功率。

一种求取吞吐量的最优解的实施例，采用时间分配解的单调特性来求解整个系统的最大吞吐量；t₃阶段的最佳值为

在周期T一定的情况下，系统的吞吐量R与

呈单调递减函数，因此，目标函数是关于时间和功率的函数。引入变量β_i和α_i将目标函数变为关于时间的函数，引入变量后，系统吞吐量公式为：

β₁＝ηP₀h_EXh_XY/N₀

β₂＝ηP₀h_EYh_YX/N₀

其中，β_i和α_i分别表示变量参数，这些参数是为了简化公式，统一形式所用的参数。h_XD表示设备X到信息节点DN的信道增益，

表示设备X的信号签名矩阵的转置，

表示设备X时间反演主瓣信道增益，g_X表示设备X的信号签名矩阵，h_YD表示设备Y到信道节点DN的信道增益，

表示设备Y的信号签名矩阵的转置，

表示设备Y时间反演主瓣信道增益，g_Y表示设备Y的信号签名矩阵，

表示设备X时间反演旁瓣干扰，

表示设备Y时间反演旁瓣干扰，N₀表示接收端的噪声。

根据上述公式，将系统吞吐量转化为关于时间的函数，即：

s.t.t₀+t₁+t₂+t₃+t₄＝1-d/v₀

t₀，t₁，t₂，t₄≥0

计算上述时间函数的最优解的过程中，最优解为两个终端设备以相同的速率传输，即：R_X＝R_Y；若R_X≠R_Y，则R_X＞R_Y或者R_X＜R_Y，当R_X＞R_Y，则

成立，由于

给定一对(t₀，t₄)，在t₁阶段，

为关于t₁的单调递增(递减)的函数，因此调节t₁和t₂得到

并得出R_X＝R_Y支持最优解。

如果

或者

系统能分配更多的时间在能量传输阶段和更少的设备合作时间t₁和t₂(或者联合传输时间t₄)来增加系统吞吐量的最优解，则最优解满足：

一种求取吞吐量的最优解的实施例，首先，在t₀固定的情况下，总是存在一组唯一的时间集(t₁，t₂，t₄)满足

其具体的过程包括：

当给定一对(t₀，t₄)，可以找到一对唯一的时间集(t₁，t₂)满足

将

和

表示为(t₀，t₄)的函数，将

表示为(t₀，t₄)的函数，因为(t₁，t₂)被一对(t₀，t₄)唯一确定。由于t₀固定，一个唯一的t₄可以满足

因为

当

时，t₄＝0；此时给定t₀，

和

时关于t₄的单调函数。

在固定t₀的情况下，可以找到唯一时间分配(t₁，t₂，t₃，t₄)，对t₀在

区间进行线性搜索，得到统吞吐量中的最优解。

其具体的过程为：给定一对(t₀，t₄)，通过二分法使得t₁在区间

搜索来确定一对唯一的(t₁，t₂)满足

根据

和

的计算公式，通过二分法让t₄在区间

搜索，来找到一个唯一的t₄满足

最后让t₀在区间

进行线性搜索，就可以找到(t₀，t₁，t₂，t₃，t₄)的最优集合。

由于设备X发射能量为P_X＝E_X/(t₁+t₄)，根据

得到：

其中，h₁＝E_Xh_XY/N₀，h₂＝t₄为两个常数，通过对

关于时间t₁求一阶导数和二阶导数得到：

其中，h₁，h₂，h₃为常数，且h₃＝h₁+h₂因为

并且

可以求出当t₁＞0时，

这就证明了当t₁在时间T增加时，

也会增加，同时，t₁在时间T增加时，

会减少。

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 (9)

1.一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，其特征在于，包括：能量节点EN分别向设备X和设备Y传输能量；设备X和设备Y在接收到能量后，设备X和设备Y相互传输各自的信息，目的信息节点分别向设备X和设备Y发送时间反演信息TR；设备X和设备Y接收时间反演信息TR后，设备X和设备Y分别对信息进行时间反演，并将反演后的信息发送给目的信息节点。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，其特征在于，能量节点EN向设备X和设备Y传输的能量为：

E_X＝ηt₀P₀H_EX

E_Y＝ηt₀P₀H_EY

其中，η表示设备能量获取效率，t₀表示能量节点向设备传输能量的时间，P₀表示能量节点的功率，H_EX表示能量节点EN到设备X的信道增益，EX表示能量节点EN到设备X的路径，H_EY表示能量节点EN到设备Y的信道增益，EY表示能量节点EN到设备Y的路径。

3.根据权利要求1所述的一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，其特征在于，设备X和设备Y相互传输各自的信息的具体过程包括：设备X在t₁阶段将待传输的信息发送给设备Y，使得设备Y中存储有设备X的传输的信息；设备Y在t₂阶段将待传输的信息发送给设备X，使得设备X中存储有设备Y的传输信息。

4.根据权利要求3所述的一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，其特征在于，设备Y接收的信号为：

其中，

表示设备Y接收到的噪声，

表示设备X的发射信号，h_XY表示设备X到设备Y的信道增益，X表示设备X，Y表示设备Y。

5.根据权利要求1所述的一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，其特征在于，设备X和设备Y分别对信息进行时间反演的过程包括：设备X和设备Y接收目的信息节点发送的TR信号，该信号包括目的信息节点分别到设备X、设备Y的信道状态信息；设备X和Y接收到TR信号后，对TR信号进行信号反演操作；在对信号进行反演过程中，对反演的信道进行签名；将设备X或者Y中待发送的信息与时间反演操作后的TR信号进行卷积，将卷积后的信号通过签名的信道传输到目的信息节点。

6.根据权利要求5所述的一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，其特征在于，时间反演的信道签名为：

其中，

表示信息节点到设备X或者Y的信道状态信息，L表示路劲总数，l表示多径环境中的路径，

表示路径响应。

7.根据权利要求1所述的一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，其特征在于，采用Alamouti空时分组码分集发射方法将时间反演后的信息发送给目的信息节点；在进行数据传输过程中，计算系统的吞吐量，当达到最大吞吐量时，得到最优的数据传输路径。

8.根据权利要求7所述的一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，其特征在于，在计算系统吞吐量的过程中根据最优时间分配算法求出各个时隙的最优分配时间，根据最优分配时间计算系统的吞吐量。

9.根据权利要求8所述的一种基于时间反演的无线电网络用户数据传输方法，其特征在于，系统的吞吐量为：

s.t.t₀+t₁+t₂+t₃+t₄＝1

P_X≥0，P_Y≥0

其中，R_X表示设备X的吞吐量，R_Y表示设备Y的吞吐量，t表示时间，p表示发射功率，t₀表示能量节点向设备传输能量所需要的时间，t₁表示设备X向设备Y传输信息所需要的时间，t₂表示设备Y向设备X传输信息所需要的时间，t₃表示目的信息节点向设备发送时间反演信息TR所需要的时间，t₄表示设备将时间反演后的信息发送给目的信息节点所需要的时间，

表示第三个时隙，d表示信息节点DN到设备X或者Y的距离，v₀表示信息节点DN到设备X或者Y的信息传输速率，P_X表示设备X的发射功率，P_Y表示设备Y的发射功率。

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