采用主动式能量采集技术的无线能量信息同传方法及系统

本发明涉及网络通信，具体而言，涉及一种采用主动式能量采集技术的无线能量信息同传方法及系统。

背景技术：

1、物联网应用将终端设备和设施通过各种无线和/或有线、长距离和/或短距离通信网络实现互联互通，网络业务呈现不同的特征，数据类型繁多。可以预期，在用户端之间会启动更多的数据流量，并且每个用户端都需要满足特定的传输要求。另一方面，由于在网络中共存的用户端具有不同的配置和功能，因此需要更智能的资源调度方案。为了达到更高的网络容量和更广泛的覆盖范围，部分设备可能会散布在较大的区域或位于某些特殊的地点，既不容易到达，也不易于定期维护。同时，某些设备作为本地系统的核心节点可以直接连接回程网络，而回程网络通常配备有稳定的能源供应。终端设备间最显著的区别在于能源配置，有些设备配置有稳定的电源或足够容量的电池装置，而有些设备受到尺寸、使用环境、移动性等限制，不具备稳定的能量来源或电池容量极其有限。这样的两种设备在进行信息传递时必须联合考虑功耗问题，以减小设备中断概率，延长网络生存寿命。在这种情况下，将传输需求和能源调度联合调控将给物联网技术带来极大的进步。

2、在分级物联网系统中，部分设备(例如，承担核心控制功能的设备)具有更高的传输优先级和稳定的能源供应，而另一部分设备(例如，全面覆盖的传感器)不具备这些配置和属性。物联网广泛覆盖范围下网络结构的复杂性给协同通信提供了多种应用模式。传统的正交传输通常利用空间多样性应用于协作通信中；非正交多址传输允许所有用户在同一时间、频域或代码域中共存。这两种多址接入方式混合设计可以满足网络中不同服务应用的要求。在网络资源共享方面，现有研究多在确定网络资源的其中某一个或两个维度的情况下，对指定的单个维度资源进行分配优化计算。最常见的情况是，对发射功率的分配。

3、在物联网覆盖范围内，有些设备配置有稳定的电源或足够容量的电池装置，而有些设备受到尺寸、使用环境、移动性等限制，不具备稳定的能量来源或电池容量极其有限。针对能源强受限型的终端设备，周围环境里的射频信号将成为重要的能量来源，利用反向散射将自身信号编写在环境信号上进行传输，通过外在使能的被动传输方式完成信息传递，尽可能将外部环境作为最主要的，或是全部的能量来源。这种设备往往不配备主动射频器件，完全属于被动式传输，对周围环境的依赖性极强，因此局限性较大。对于能源弱受限型的终端设备，通过环境供电方式获得能量转化，还可以使用主动射频器件完成信息的主动传输，在信息传递方式上具备更高的灵活性与主动性。与此同时，能源弱受限的设备还可以承担多业务广播/多播的服务，在其它设备传输时还可以承担协同中继增强的角色。将无线能量传输与传统的以通信为中心的传输相结合，最近出现了一种面向能量和信息的共同传输。

4、为了更好地利用射频频谱/辐射和网络基础结构进行通信和供能，同时进行无线信息和功率传输(swipt:simultaneous wireless information and power transfer)以延长能量受限网络的寿命。特别是对于多用户终端(位于分级系统中并参与更多的通信模式)而言，swipt已成为解决有限的能量存储瓶颈的一种潜在方法。针对不同的无线网络模型，当前的研究提出了多种方案：在点对点无线信道中，分别研究了时间切换和功率分割方法；在蜂窝网络的每个小区中，下行链路中的能量传递和上行链路中的信息传递是互相独立的过程。扩展到多跳网络，swipt促进了用户之间的合作，扩大了潜在能源资源。考虑到具有多个潜在协作用户的大规模网络，还加入了对中继选择的分析。当前的大多数工作都在研究单一构造的系统和传输模式，这不足以对正在开发的应用场景进行建模。考虑到物联网的应用范围，在将来的研究中有必要扩展网络容纳的用户类型和传输请求。

5、综上，需要通过无线通信网络接入互联网的用户设备与数据业务呈现多样化特征，但现有研究通常延用传统蜂窝移动网络的集中式架构体系，较少考虑短距离通信的传输模式的融入与共存，部分工作所提出的协同传输方案也多设计了固定的中继节点角色。当前的大多数工作都在研究单一构造的系统和传输模式，不足以对正在开发的应用场景进行建模。考虑到物联网的应用范围，在将来的研究中有必要扩展网络容纳的用户类型和传输请求。此外，基于无线能量传输的能效优化更多的考虑单一维度的功率，没有充分结合大型网络中的多种传输模式和终端属性。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种采用主动式能量采集技术的无线能量信息同传方法及系统，以至少解决现有网络终端节点存在的能量存储受限的技术问题。

2、根据本发明的一实施例，提供了一种采用主动式能量采集技术的无线能量信息同传方法，包括以下步骤：

3、设计特定的协同用户终端作为混合接入点和其它用户终端之间传输的潜在中继；

4、协同用户在中继开始之前采集能量，并将所采集到的能量用于后续传输；

5、在进行中继的同时，协同用户利用部分采集的能量完成自己的传输。

6、根据本发明的另一实施例，提供了一种采用主动式能量采集技术的无线能量信息同传系统，包括一个具有稳定能源供给的控制中心cc和具有有限功率存储的两个用户de1和de2以及一个与用户de2直接关联的用户终端de3；其中de2充当潜在中继的角色协助增强到de1的信息i1传递；同时de2利用合作的机会向de3发送信息i3；

7、有中继需求发起时，用户de2预先从控制中心cc的源信号中收集能量；同时，如果de2有面向de3的发送请求，则利用中继i1的机会，以所采集的能量作为发射功率，以终端直连模式同时发送。

8、进一步地，所有用户均配备单天线并以半双工模式运行；在每个信息传输模块中，能量采集和信息传输同时在中继节点处实现。

9、进一步地，假设接收端可知信道信息，相应的信道系数为瑞利分布gij，所有信道都是准静态的，此时信道系数在一个协议周期内保持恒定；每个用户处的加性高斯白噪声z0建模相互独立，并具有相同分布cn(0,σ2)。

10、进一步地，传输过程由两个阶段组成，分别用β表示两个传输阶段的时间共享因子，θ表示de2处利用swipt的能量采集功率分配因子，ω代表de2的发射功率分配因子；

11、在阶段i的传输中，假设控制中心cc以发射功率pc发射指向目标接收端用户de1的i1，并将协议周期的剩余时间共享给用户de2用于阶段ii的传输；用户de2持续监听i1的传输，并分配功率完成swipt；在用户de2处接收到的信号分为两个流，一个流用于以功率分配比例θ进行能量收集，其余的用于信息接收处理；

12、在阶段ii中，用户de2广播一个叠加信号，所采集到的功率的一部分ω·pe用于中继，(1-ω)·pe用于传输i3到用户终端de3；整个传输过程采用混合多址传输策略，联合正交时分多址和非正交功率域多址传输。

13、进一步地，除了阶段ii中的发射功率分配以外，阶段i中swipt的功率分配引入更大的功率分配灵活度。

14、进一步地，传输过程中用x1,3来表示i{1,3}的信号，在阶段i的传输中，de2将接收功率分为两个部分，接收信号部分为采集的能量部分为：

15、q2＝βt·ηθpc|g22|2 (1)

16、其中η(0<η<1)表示能量采集转换效率；信息传输在de1和de2的接收端snr分别是γ11＝ρc|g11|2和γ22＝(1-θ)ρc|g22|2，ρc＝pc/σ2表示cc的传输端snr；

17、假设de2将耗尽所采集的能量全部用于阶段ii的传输，它的平均发射功率为：

18、

19、df方案将解码后的信号x1与x3叠加，anc方案则直接将接收信号y2与x3叠加；因此，de2采用两种方案的发射信号分别为：

20、

21、

22、其中为归一化因子。

23、进一步地，根据非正交传输的原理，当|g21|2≥|g23|2时，de1在解码x1前先解码并提取x3消除干扰，de3将x1视为噪声直接解码x3；当|g21|2<|g23|2时，de1在解码x1后再解码并提取x3消除干扰，de3将x1视为噪声直接解码x3；

24、对于df方案来说，如果de2、de3从阶段i解码x1，则阶段ii中de1的接收信号由x1和x3直接叠加，推导出de1和de3的接收端snr为：

25、

26、

27、其中，ρe＝pe/σ2表示de2的传输端snr；de1的可达速率r1受到直接链路和中继链路的共同制约，de3的可达速率r3仅与第二阶段的传输有关，获得以下区域：

28、

29、

30、r12表示de2能够可靠解码de1的消息的最大速率，r12＝βlog(1+γ22)，表示de1成功解码的最大速率取决于来自cc和de2的在两个阶段内的传输；接收端采用最大比例合并，得到在不同时间共享条件下的取值：

31、

32、

33、进一步地，采用anc方案时，de2直接转发从阶段i接收到的信号y2，de1和de3的接收端snr为：

34、

35、

36、其中，cc的传输速率不受de2的接收信道的限制；de1能够可靠解码消息的最大速率由cc和de2在两个阶段内的传输决定。

37、进一步地，在阶段ii中，de2将来自阶段i的接收信号由γ归一化后再叠加自己的信号转发，de1和de3的可达速率随后受到噪声传播叠加的影响，可达速率区域如下：

38、

39、

40、

41、一种存储介质，存储介质存储有能够实现上述任意一项采用主动式能量采集技术的无线能量信息同传方法的程序文件。

42、一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的采用主动式能量采集技术的无线能量信息同传方法。

43、本发明实施例中的采用主动式能量采集技术的无线能量信息同传方法及系统，设计特定的协同用户终端可以作为混合接入点和其它用户终端之间传输的潜在中继，受限于有限的能量存储，协同用户需要在中继开始之前采集能量，并将所采集到的能量用于后续传输。在进行中继的同时，协同用户可以利用部分采集的能量完成自己的传输。这种同传协同方法没有产生额外的能耗，基于无线能量传输的能效优化使大型网络中的各种传输模式和终端属性得以结合，并能够在无线网络传输中更好地利用环境射频信号。