CN113423081A - 一种无线输能方法、装置、计算机设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线输能方法、装置、计算机设备及存储介质，该方法包括：对无线设备内的能量建立能量队列模型；计算所述能量队列模型的能量中断概率以及无线设备向信息基站发送数据包的平均信息年龄；以所述能量中断概率和平均信息年龄为约束，基于预置搜索方法求解得到最大的有效能量函数变量θ，然后求解得到最小的基站发射功率P₀ ^S；车载能量基站在移动过程中，以最小的基站发射功率P₀ ^S发射能量信号，使无线设备接收到能量信号，并将能量信号转换为自身可用的电能，同时消耗能量将产生的数据包发送至信息基站。本发明提高了能量的利用率，增强了无线设备的正常工作的可靠性，避免了移动基站发射功率过大而造成的能量浪费。

Description

一种无线输能方法、装置、计算机设备及存储介质

技术领域

本发明涉及无线能量传输技术领域，尤其涉及一种无线输能方法、装置、计算机设备及存储介质。

背景技术

随着物联网技术及移动通讯技术的飞速发展，越来越多的新兴无线设备被广泛应用于低成本的数据采集与信息交互。目前，自动驾驶系统，智能家居系统和医疗健康系统等均部署了多种无线设备节点来完成环境感知、数据采集、数据转发等一系列的工作。另外，在未来第五代移动通信技术打造下的万物互联的世界中，人们的生活更加智能化和便利化。许多面向任务的应用对数据传输的实时性提出了更高的要求，特别是对状态数据的“新鲜度”要求极为苛刻。为了更好地保障信息的及时性，当前，提出了一种新的度量指标，即信息年龄(Age of Information，简称AoI)。AoI可以从信息接收端的角度衡量最近一次接收到的数据包自其产生以来所经过的时间，能够反映接收者在任何特定时间上的信息的及时性。为了保障数据新鲜度，无线设备不仅要实时监测网络或者环境的状态，还要及时发送包含状态信息的数据，设备需要消耗更多的能量，因此当前逐步将无线能量传输技术(Wireless Power Transfer，简称WPT)应用到低功耗的通信网络中。无线供能的通信网络(Wireless Powered Communication Networks,简称WPCN)作为基于射频的WPT的无线通信系统的典型模型之一，可以帮助能量受限的低功率传感器节点来解决能量受限问题。特别地，将移动基站作为能量源，能进一步增强设备充电的灵活性与可控性。然而，基站移动所造成的信道快速变化，使得基站难以捕获信道瞬时信息，从而无法有效控制能量的到达。这不仅可能导致设备无法提供充足的能量来保障系统的信息新鲜度，还可能导致设备因供能不足而中断工作，所以人们需对能量的到达及信息的传输进行协调与控制。

现有大部分对WPCN的研究都仅考虑使用收获再传输的传输协议，即能量和信息的传输是不同时发生的情况。然而，当WPCN系统使用专用能量源时，下行能量传输和上行信息传输可以同时发生，且两者互不干扰。这种场景下存在的一个关键问题，即无线设备只能从射频信号中获取能量，使得设备的能量收获的能量可能难以保证设备以某一固定速率持续耗能，从而会时刻影响设备信息的收集与传输。WPCN系统中的收集的能量多少与信息传输的质量存在因果关系，因此需要对系统中的资源进行合理地分配，以提高系统性能。

此外，大部分对WPCN系统研究以吞吐量为优化目标，较少考虑从保障数据更新的及时性的角度来衡量系统信息传输的性能。

发明内容

本发明实施例提供了一种无线输能方法、装置、计算机设备及存储介质，旨在解决既能保障无线设备的能量中断概率要求又能满足信息基站对信息新鲜度的要求的双重前提下的基站发射功率最小化的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种无线输能方法，包括：

对无线设备内的能量建立能量队列模型，其中，使用E表示无线设备任意时刻收获的能量，使用E_g表示无线设备产生一个数据包需要消耗的固定能量，数据包表示无线设备消耗能量以实时感应周围环境变化情况并捕获处理后的数据综合，使用P_s表示无线设备将数据包发送至信息基站的固定传输功率，使用λ_s表示无线设备的固定耗能速率，使用EP(θ)表示无线设备的有效能量函数，其中，θ为有效能量函数变量；

计算所述能量队列模型的能量中断概率以及无线设备向信息基站发送数据包的平均信息年龄；

以所述能量中断概率和平均信息年龄为约束，基于预置搜索方法求解得到最大的有效能量函数变量θ，然后求解得到最小的基站发射功率P₀ ^S；

车载能量基站在移动过程中，以最小的基站发射功率P₀ ^S发射能量信号，使无线设备接收到能量信号，并将能量信号转换为自身可用的电能，同时消耗能量将产生的数据包发送至信息基站。

第二方面，本发明实施例提供了一种无线输能装置，包括：

建模单元，用于对无线设备内的能量建立能量队列模型，其中，使用E表示无线设备任意时刻收获的能量，使用E_g表示无线设备产生一个数据包需要消耗的固定能量，数据包表示无线设备消耗能量以实时感应周围环境变化情况并捕获处理后的数据综合，使用P_s表示无线设备将数据包发送至信息基站的固定传输功率，使用λ_s表示无线设备的固定耗能速率，使用EP(θ)表示无线设备的有效能量函数，其中，θ为有效能量函数变量；

第一计算单元，用于计算所述能量队列模型的能量中断概率以及无线设备向信息基站发送数据包的平均信息年龄；

第二计算单元，用于以所述能量中断概率和平均信息年龄为约束，基于预置搜索方法求解得到最大的有效能量函数变量θ，然后求解得到最小的基站发射功率P₀ ^S；

无线输能单元，用于车载能量基站在移动过程中，以最小的基站发射功率P₀ ^S发射能量信号，使无线设备接收到能量信号，并将能量信号转换为自身可用的电能，同时消耗能量将产生的数据包发送至信息基站。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的无线输能方法。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的无线输能方法。

本发明实施例提供了一种无线输能方法、装置、计算机设备及存储介质，该方法包括：对无线设备内的能量建立能量队列模型；计算所述能量队列模型的能量中断概率以及无线设备向信息基站发送数据包的平均信息年龄；以所述能量中断概率和平均信息年龄为约束，基于预置搜索方法求解得到最大的有效能量函数变量θ，然后求解得到最小的基站发射功率P₀ ^S；车载能量基站在移动过程中，以最小的基站发射功率P₀ ^S发射能量信号，使无线设备接收到能量信号，并将能量信号转换为自身可用的电能，同时消耗能量将产生的数据包发送至信息基站。本发明实施例在使用车载能量基站的WPCN场景下，解决了既能保障无线设备的EOP要求又能满足信息基站对信息新鲜度的要求的双重前提下的基站发射功率最小化的问题。本发明实施例提高了能量的利用率，增强了无线设备的正常工作的可靠性，避免了移动基站发射功率过大而造成的能量浪费，即保障了信息的及时传输又降低了系统的能耗，具有实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种无线输能方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种无线输能方法的原理结构图；

图3为本发明实施例提供的一种无线输能方法中平均信息年龄与数据包产生间隔关系图；

图4为本发明实施例提供的一种无线输能方法中能量发射功率与能量队列阈值的变化关系图；

图5为本发明实施例提供的一种无线输能装置的示意性框图。

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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

下面请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种无线输能方法的流程示意图，具体包括：步骤S101～S104。

S101、对无线设备内的能量建立能量队列模型，其中，使用E表示无线设备任意时刻收获的能量，使用E_g表示无线设备产生一个数据包需要消耗的固定能量，数据包表示无线设备消耗能量以实时感应周围环境变化情况并捕获处理后的数据综合，使用P_s表示无线设备将数据包发送至信息基站的固定传输功率，使用λ_s表示无线设备的固定耗能速率，使用EP(θ)表示无线设备的有效能量函数，其中，θ为有效能量函数变量；

S102、计算所述能量队列模型的能量中断概率以及无线设备向信息基站发送数据包的平均信息年龄；

S103、以所述能量中断概率和平均信息年龄为约束，基于预置搜索方法求解得到最大的有效能量函数变量θ，然后求解得到最小的基站发射功率P₀ ^S；

S104、车载能量基站在移动过程中，以最小的基站发射功率P₀ ^S发射能量信号，使无线设备接收到能量信号，并将能量信号转换为自身可用的电能，同时消耗能量将产生的数据包发送至信息基站。

本发明实施例在使用基于射频的WPT技术给设备实现无线充电的场景中，解决了能同时保证无线设备EOP(Energy Outage Probability，简称EOP)及平均AoI要求的资源分配问题。首先，对能量及信息传输链路分别建立对应的信道模型。其次，对传感器的能量队列建模并求解传感器的EOP。再次，计算传输信息的平均AoI。最后建立并求解最小化能量基站的发射功率的资源分配问题，其中EOP及平均AoI作为约束条件。

本发明实施例中，无线输能步骤主要包括：

第一步，车载能量基站在移动的过程中，使用基于射频的WPT技术通过下行链路持续地给传感器进行无线充电，其能量发射功率为

车载能量基站与传感器的距离为d_down，其中d_down的值会随着车载能量基站的移动而不断变化。

第二步，无线设备接收到基站发射的能量信号，将其转换为自身可以使用的电能，其中能量转换效率为η。

第三步，无线设备消耗能量用于实时感应周围的环境变化情况，包括空气质量、气温，湿度，人员踪迹情况，并对捕获的数据进行处理，最终将有用的数据综合起来生成一个数据包。

第四步，对于每一个产生的数据包，无线设备将消耗能量并使用固定的传输功率将其发送至远端的信息基站，其中传感器与信息基站的位置固定，两者距离为d_up。

本发明实施例适用于低功率耗能设备，特别是需要进行数据采集与信息交互的小型传感器，适合应用在一些人员稀少区域，例如沙漠、森林、湖泊边或者海洋周围。从而可以理解的是，本发明实施例中所述的传感器即是指无线设备。

本发明实施例为了保证信息基站接收到的数据的新鲜程度，设信息基站接收信息的平均年龄要小于ζ。此外，由于无线设备接收能量是动态变化的，为了使无线设备更好地容忍能量波动，设无线设备的电量需要大于其能量阈值要求

同时无线设备的能量中断概率(Energy Outage Probability，简称EOP)不能超过ξ^s。这些关于能量及信息传输质量的要求，既可以更好地保证无线设备自身基本功能的实现以及数据包的产生与传输效率，又能为资源分配提供对应的约束。

在所述步骤S101中，无线设备任意时刻收获的能量可使用表达式

来表示。无线设备得到的能量一方面用于感应周围的环境变化情况，包括空气质量、气温，湿度，人员踪迹情况，根据需要产生包含各种信息的数据包。另一方面，无线设备需要消耗一定的能量用于通过上行链路传输数据包到信息基站。此外，未被及时使用的能量则存储在能量队列中，用于维持无线设备基本运转。

因此，如图2所示，传感器(即所述无线设备)主要有2个方面需要耗能。一方面用于产生数据包，即传感器每生成一次数据包之前，都需要先感知环境中各方面的状态，接着对捕获的数据进行处理，将有用的数据综合起来生成一个数据包。为了便于综合分析，本发明实施例将这一过程需要消耗的能量固定为E_g，即每产生一个数据包，传感器内部需要消耗固定大小的能量E_g。另一方面用于传输数据包，对于每一个产生的数据包，传感器将使用固定的传输功率P_s，将其发送至远端的信息基站。因为传感器与信息基站之间的距离不会随时间改变，两者间的信道状态变化较小，因此数据传输使用固定功率的假设是可行的。综上所述，传感器的耗能速率λ_s是固定的。假设每隔时间D_g产生一个数据包并发送出去，并且使用ρ_s来描述数据包列队的繁忙概率，那么传感器的固定耗能速率λ_s可以被表示为：

在一实施例中，所述步骤S102包括：

按照下式计算能量中断概率Pr：

其中，

表示能量队列非空的概率，

表示无线设备的能量阈值；

按照下式计算平均信息年龄：

其中，Δ表示平均信息年龄，D_g表示数据包产生间隔时间，ω表示兰伯特函数，R表示数据包传输速率，γ表示指数分布。

当无线设备固定耗能速率已知，基于对能量队列模型的分析，传感器的有效能量函数可以表示为：

这代表了满足能量队列要求的条件下传感器可以承受的最大耗能速率。当有效能量函数值等于无线设备的固定能量消耗速率λ_s时，能量队列中的能量低于阈值要求的概率，即无线设备的EOP概率，可描述为：

其中，

代表该能量队列非空的概率。

设无线设备为了使信息中心能够及时地了解传感器附近各方面的情况，每隔一段时间就会产生一次数据包。由于各个时间段的环境状态不同，因此无线设备需要上传的信息也不同，这使得每次生成的数据包的大小不尽相同。所以，本发明实施例设无线设备每次生成的数据包的包长长度不同，但均服从均值为γ的指数分布。数据包产生以后，会被送入数据队列，并按先入先出的方式依次被发送给信息基站。由于数据包传输功率是固定的，因此数据包传输速率也是固定的，定义为：

其中，w为传输信息的信道带宽，N₀为噪声的功率谱密度。此外，无线设备任意一次产生的数据包的包长C服从均值γ指数分布，意味着数据包i的传输时间T_s也服从指数分布，其均值为γ/R。

设无线设备以速率λ_g产生数据包，这意味着数据队列中的数据包到达速率也为λ_g。由于数据包生成的固定时间间隔为D_g，那么数据包平均到达速率可以描述为：

由于数据队列的平均服务时间为γ/R，可知数据包离开队列的平均速率为：

则队列的繁忙概率ρ_s可以表示为：

考虑一个数据包i，其系统时间为：

其中W_i和S_i分别代表数据包i在队列中等待的时间和服务时间。等待时间的数值分为两种情况，一种情况是数据包i是在上一个数据包i-1已经被服务完成了之后才产生，那么这个数据包则不需要在队列里等待就会直接被发送出去，因此该数据包的等待时间W_i＝0。另一种情况是上一个数据包i-1的传输时间过长，使得当前数据包i产生时上一个数据包还正在被服务中，那么数据包i将在队列中等待，直到数据包i-1服务完成，其中数据包的等待时间为

其中X_i为数据包i与数据包i-1的产生时间间隔。综合两种情况，数据包i的等待时间可以统一表示为：

其中

取决于在数据包i-1的产生时间和服务时间，与X_i无关。需要注意的是：当数据队列到达稳态时，数据包的系统时间不会随时间明显波动。因此，关于系统时间的分析，本发明实施例的等待时间的期望式子可以被表示为：

其中，v＝L_X(λ_s(1-v))是数据包产生间隔时间分布的拉普拉斯变换，且数据包产生间隔是确定的并且固定为D_q。对该变换式子使用兰伯特ω函数进行进一步转换后，变量v可以被重写为：

综合上述分析，本发明实施例中信息基站接收信息的平均AoI可描述为：

在一实施例中，所述步骤S103包括：

按照下式求解得到最大的有效能量函数变量θ：

其中，ξ^s表示大于或者等于能量中断概率的概率值，

按照下式计算得到最小的基站发射功率：

其中，D_g ^max表示数据包产生间隔时间D_g的上界值，T表示根据信道相干时间设置的时隙长度。

由于保障信息的新鲜度对存在大量实时信息交互的物联网来说至关重要，因此功率最小化问题除了要满足无线设备EOP要求，还需要满足基站对接收信息的平均AoI要求。影响无线设备EOP及接收信息的平均AoI的因素不仅包括能量基站的发射功率，还有一些网络中的其他因素，例如无线设备产生数据包的时间间隔及数据包的传输功率等。增大数据包的产生间隔，虽然会降低无线设备的耗能速率，减小设备的EOP，但不一定会降低信息的平均AoI。因此，本发明实施例需要通过更好地管理与利用系统中的资源，在同时保障无线设备EOP要求及基站接收信息的平均AoI要求的条件下最小化能量基站的发射功率，以达到节约能源的目的。最优功率求解问题可以描述为：

s.t. θ≥0 (1a)

其中，约束(1b)保障了无线设备的EOP要求，即其EOP需要小于或等于概率值ξ^s。约束(1e)表示有效能量等于无线设备的耗能速率，这是使得约束(1b)有效的前提条件。约束(1d)使得有效能量函数是一个值域有限的函数，符合使用基于大偏差的有效带宽的条件。约束(1f)是信息基站对于平均AoI的要求，即平均AoI不能超过ζ^s。约束(1c)和约束(1g)分别代表了平均能量到达速率小于平均能量消耗速率以及平均数据包到达速率小于平均数据包服务速率，分别维护了能量队列和数据队列的稳定。

由约束(1f)和约束(1g)可以求出变量D_g的有效取值范围，即

由数学关系可知队列稳定性函数ρ_s随着D_g的增大而减小，则结合约束(1g)可以得到：

如图3所示，设γ＝1.5Kbit，R＝60Kbit/s，则图3描述了平均AoI随间隔D_g的变化关系，其中横轴的取值范围为

由图3可以观察到，当D_g取值较小时，平均AoI随着间隔D_g的增大而减小，直到达到最小值之后，随着D_g的增大而增大。这种情况出现的原因是当数据包产生时间间隔较短时，无线设备产生数据包的频率过快，上一个数据包未传输完成，下一个数据包又立即生成。当过多的数据包堆积在队列中时，数据包的排队等待时间过长而增加了系统时间，导致平均AoI过大。随着D_g的慢慢增大，队列中需要排队的数据包慢慢减小，这使得数据包历经的系统时间也逐渐减小，直到取到一个最优D_g可以使得系统时间达到最小。

当平均AoI达到最小时，就意味着当队列处于稳态时，数据包的产生时间恰好等于上一个数据包传输完成时间，即数据包的系统时间就等于其服务时间。当数据包产生间隔继续增大后，就会出现前一个数据包已经传输完成后，过了一段时间下一个数据包才产生的情况，这会使得信息基站等待的时间增加，从而增大平均AoI。结合约束(1f)可以推论出，给定任意一个平均AoI要求，可以获得两个对应D_g的界值，小的对应D_g的下界

大的对应D_g的上界

在耗能速率可控的情况下，耗能速率越小，保证无线设备EOP所需的发射功率越小。耗能速率与变量D_g有关，因此可以通过增大数据包的产生间隔来减小传感器的耗能速率。因此，为了求最小的基站发射功率，本发明实施例首先需要确定上述优化问题中D_g的最优取值，即有效范围内的最大值

将

代入优化问题后，考虑到约束(1f)和约束(1g)中仅由的待优化变量D_g已确定，因此这两个约束可以忽略掉。优化问题(16)被重写为：

s.t.θ≥0 (3a)

当约束(3d)有效时，EP(θ)可以被简化为：

将EP(θ)最后化简结果代入到约束(3e)，可以将变量

用变量θ来表示，即

用P₀(θ)替换优化问题(3)中的所有P₀，可以观察到约束(3d)被转换为：

由数学关系可证明式子(6)是必然成立的，因此约束(3d)可以相应地忽略掉。优化问题(3)被重写为：

θ≥0 (7b)

其中，

且

由于目标函数随着θ递增而递减，因此求解最小的发射功率便可转换为求解最大的θ，简化后的优化问题可以描述为：

θ≥0 (8b)

由于约束(8a)左边的表达式随着递增而递增，因此，当左边式子取到最大值ξ^s时，整个优化问题的最大的θ可以相应的求出。优化问题最终被化简成求解满足下述表达式的θ的值：

通过一维搜索法，例如二分法可以求得最优的θ，进而可以根据表达式(6)求得最优的

在一实施例中，对无线设备的能量及信息传输链路分别建立对应的能量传输信道模型和信息传输信道模型，其中，使用大尺度衰落系数α_d表示所述能量传输信道模型的大尺度衰落系统，使用h_d表示能量传输信道模型的下行链路信道增益，使用h_u表示信息传输信道模型的上行链路信道增益。

为了分析信道的时变特性，每个时间块被划分为L个连续时隙，其中时隙长度T是根据信道相干时间设置的。本发明实施例使用典型的路径损耗模型描述大尺度衰落，即主要考虑基于自由空间传播的路径损耗的影响。大尺度衰落系数α_d可以表示为：

其中G_T、G_R、f、C和ψ分别代表了发射机天线增益、接收机天线增益、载波频率、光速和自由空间环境中的路径损耗指数。

由于能量基站(即所述车载能量基站)具有移动性，因此其与无线设备的能量传输信道时刻发生着变化。设下行链路小尺度衰落的值在一个时隙中保持不变，但在不同时隙会有变化。由于快速移动的基站可能无法捕获信道的小尺度衰落的变化，因此任意时隙的小尺度衰落的值基站都是难以获取的，即基站只知道下行链路的小尺度衰落的统计信息。此外，小尺度衰落采用瑞利快速衰落模型，即小尺度衰落系数g_d在每个时隙都服从均值为1的指数分布，因此能量传输的下行链路的信道增益h_d可以表示为：

h_d＝α_d×g_d

设无线设备的上行链路主要是受路径损耗的影响，即如果无线设备节点与信息基站不发生相对移动的话，两者之间的信道状态在非常短的时间内的变化幅度是很小的，这意味着一个时间块内小尺度衰落系数g_u的变化可以忽略。因此假设下行链路信道的状态一个时间块内不变，而在块与块之间变化。在一个时间块内，信息基站可以通过信道估计及反馈来获取信道状态信息，数据传输上行链路的信道增益可表示为：

本发明实施例在使用移动能量源的WPCN场景下，解决了既能保障无线设备的EOP要求又能满足信息基站对信息新鲜度的要求的双重前提下的基站发射功率最小化的问题。本发明实施例提高了能量的利用率，增强了无线设备的正常工作的可靠性，避免了移动基站发射功率过大而造成的能量浪费，即保障了信息的及时传输又降低了系统的能耗，具有实际应用价值。此外，本发明实施例为利用移动能量源的WPCN系统，提供了一种有效的且可靠的基于时变信道传输的资源分配优化方案，更加有效地避免了WPCN中的双重远近效应问题。

如图4所示，图4展示了当传感器与信息基站的距离不同时，基站的最优发射功率与传感器的能量阈值的变化关系。从图4中可以看出，对于任意能量阈值，所提最优方案得到的功率值都小于基准方案1(Benchmark1)和基准方案2(Benchmark2)的值，有效避免了能量浪费。

图5为本发明实施例提供的一种无线输能装置500的示意性框图，该装置500包括：

建模单元501，用于对无线设备内的能量建立能量队列模型，其中，使用E表示无线设备任意时刻收获的能量，使用E_g表示无线设备产生一个数据包需要消耗的固定能量，数据包表示无线设备消耗能量以实时感应周围环境变化情况并捕获处理后的数据综合，使用P_s表示无线设备将数据包发送至信息基站的固定传输功率，使用λ_s表示无线设备的固定耗能速率，使用EP(θ)表示无线设备的有效能量函数，其中，θ为有效能量函数变量；

第一计算单元502，用于计算所述能量队列模型的能量中断概率以及无线设备向信息基站发送数据包的平均信息年龄；

第二计算单元503，用于以所述能量中断概率和平均信息年龄为约束，基于预置搜索方法求解得到最大的有效能量函数变量θ，然后求解得到最小的基站发射功率P₀ ^S；

无线输能单元504，用于车载能量基站在移动过程中，以最小的基站发射功率P₀ ^S发射能量信号，使无线设备接收到能量信号，并将能量信号转换为自身可用的电能，同时消耗能量将产生的数据包发送至信息基站。

在一实施例中，所述第一计算单元502包括：

能量中断概率计算单元，用于按照下式计算能量中断概率Pr：

其中，

表示能量队列非空的概率，

表示无线设备的能量阈值；

平均信息年龄计算单元，用于按照下式计算平均信息年龄：

其中，Δ表示平均信息年龄，D_g表示数据包产生间隔时间，ω表示兰伯特函数，R表示数据包传输速率，γ表示指数分布。

在一实施例中，所示第二计算单元503包括：

变量求解单元，用于按照下式求解得到最大的有效能量函数变量θ：

其中，ξ^s表示大于或者等于能量中断概率的概率值，

在一实施例中，所示第二计算单元503还包括：

功率计算单元，用于按照下式计算得到最小的基站发射功率：

其中，D_g ^max表示数据包产生间隔时间D_g的上界值，T表示根据信道相干时间设置的时隙长度。

在一实施例中，所述预置搜索算法为一维搜索方法。

在一实施例中，所述一维搜索方法为二分搜索方法。

在一实施例中，所述无线传输装置500还包括：

对无线设备的能量及信息传输链路分别建立对应的能量传输信道模型和信息传输信道模型，其中，使用大尺度衰落系数α_d表示所述能量传输信道模型的大尺度衰落系统，使用h_d表示能量传输信道模型的下行链路信道增益，使用h_u表示信息传输信道模型的上行链路信道增益。

由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：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。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，可以包括存储器和处理器，存储器中存有计算机程序，处理器调用存储器中的计算机程序时，可以实现上述实施例所提供的步骤。当然计算机设备还可以包括各种网络接口，电源等组件。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，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”或者其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过程、方法、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，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种无线输能方法，其特征在于，包括：

对无线设备内的能量建立能量队列模型，其中，使用E表示无线设备任意时刻收获的能量，使用E_g表示无线设备产生一个数据包需要消耗的固定能量，数据包表示无线设备消耗能量以实时感应周围环境变化情况并捕获处理后的数据综合，使用P_s表示无线设备将数据包发送至信息基站的固定传输功率，使用λ_s表示无线设备的固定耗能速率，使用EP(θ)表示无线设备的有效能量函数，其中，θ为有效能量函数变量；

计算所述能量队列模型的能量中断概率以及无线设备向信息基站发送数据包的平均信息年龄；

以所述能量中断概率和平均信息年龄为约束，基于预置搜索方法求解得到最大的有效能量函数变量θ，然后求解得到最小的基站发射功率P₀ ^S；

车载能量基站在移动过程中，以最小的基站发射功率P₀ ^S发射能量信号，使无线设备接收到能量信号，并将能量信号转换为自身可用的电能，同时消耗能量将产生的数据包发送至信息基站。

2.根据权利要求1所述的无线输能方法，其特征在于，所述计算所述能量队列模型的能量中断概率以及无线设备向信息基站发送数据包的平均信息年龄，包括：

按照下式计算能量中断概率Pr：

其中，

表示能量队列非空的概率，

表示无线设备的能量阈值；

按照下式计算平均信息年龄：

其中，Δ表示平均信息年龄，D_g表示数据包产生间隔时间，ω表示兰伯特函数，R表示数据包传输速率，γ表示指数分布。

3.根据权利要求2所述的无线输能方法，其特征在于，所述以所述能量中断概率和平均信息年龄为约束，基于预置搜索方法求解得到最大的有效能量函数变量θ，包括：

按照下式求解得到最大的有效能量函数变量θ：

其中，ξ^s表示大于或者等于能量中断概率的概率值，

4.根据权利要求3所述的无线输能方法，其特征在于，所述求解得到最小的基站发射功率P₀ ^S，包括：

按照下式计算得到最小的基站发射功率：

其中，D_g ^max表示数据包产生间隔时间D_g的上界值，T表示根据信道相干时间设置的时隙长度。

5.根据权利要求1所述的无线输能方法，其特征在于，所述预置搜索算法为一维搜索方法。

6.根据权利要求5所述的无线输能方法，其特征在于，所述一维搜索方法为二分搜索方法。

7.根据权利要求1所述的无线输能方法，其特征在于，还包括：

对无线设备的能量及信息传输链路分别建立对应的能量传输信道模型和信息传输信道模型，其中，使用大尺度衰落系数α_d表示所述能量传输信道模型的大尺度衰落系统，使用h_d表示能量传输信道模型的下行链路信道增益，使用h_u表示信息传输信道模型的上行链路信道增益。

8.一种无线输能装置，其特征在于，包括：

建模单元，用于对无线设备内的能量建立能量队列模型，其中，使用E表示无线设备任意时刻收获的能量，使用E_g表示无线设备产生一个数据包需要消耗的固定能量，数据包表示无线设备消耗能量以实时感应周围环境变化情况并捕获处理后的数据综合，使用P_s表示无线设备将数据包发送至信息基站的固定传输功率，使用λ_s表示无线设备的固定耗能速率，使用EP(θ)表示无线设备的有效能量函数，其中，θ为有效能量函数变量；

第一计算单元，用于计算所述能量队列模型的能量中断概率以及无线设备向信息基站发送数据包的平均信息年龄；

第二计算单元，用于以所述能量中断概率和平均信息年龄为约束，基于预置搜索方法求解得到最大的有效能量函数变量θ，然后求解得到最小的基站发射功率P₀ ^S；

无线输能单元，用于车载能量基站在移动过程中，以最小的基站发射功率P₀ ^S发射能量信号，使无线设备接收到能量信号，并将能量信号转换为自身可用的电能，同时消耗能量将产生的数据包发送至信息基站。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的无线输能方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的无线输能方法。

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