[发明专利]基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法

说明书

本发明提供一种基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法，属于能量收集、无线信息与能量传输领域。包括构建无线网络的信息与能量双向传输系统模型；根据射频信号的特点，建立中继节点信号接收模型、中继节点信号转发模型、源节点信号接收模型以及信息节点能量信号接收模型；提出连续时隙能量累积分析能量累积协议与离散时隙能量累积协议，分别进行能量累积分析，得出系统吞吐量；以最大化系统吞吐量为目的，优化系统性能；本发明将基于能量累积的双向信息与能量中继协作传输方法应用在无线网络中，提出信息与能量传输方法，在提高能量效率的基础上，实现了信息与能量的双向最优传输。

技术领域

本发明涉及能量收集、无线信息与能量传输领域，具体是基于能量累积的双向信息与能量中继协作传输方法。

背景技术

在无线网络中，如何延长网络生存期始终是组网时一个重要的考核指标和技术瓶颈，受到业界学者的广泛关注。其中，能耗问题又成为延长网络生存期的关键技术难点，最直观的解决办法是降低传感器节点的能量消耗，除此之外，如何实现无线网络的自供能，减少传统无线网络能量不足时中断概率的发生吸引了大批国内外的学者。在传统的无线网络中，传感器节点能量供给方式多为电池供应，由于电池的能量有限，网络的持续性大大降低。应用传感器节点进行能量收集，实现传感器网络的自供能，在经济环保的基础上延长网络的生存期。传统的能量收集方式包括将太阳能、风能、动能及机械能等能量转化成电能供传感器节点使用，多种能量获取方式均可替代电池供电但皆存在缺陷，因此，一种新的能量获取方式应运而生——从射频信号(radio-frequency signal，RF signal)中获取能量。射频信号既可以携带信息又可以携带能量，应用这一特点，传感器节点可以同时进行信息接收和能量获取两个进程。应用射频信号进行节点能量的获取同时完成信息的接收，收集的能量用于该节点信息的传递与转发，这一过程叫做信息与能量同传技术(simultaneouswireless information and power transfer，SWIPT)。

对于信息与能量同传技术的研究，由于节点间存在遮挡或者衰减较大会导致节点间的直接传输收到影响或者中断，因此通常引入中继节点的协助传输，中继节点通常帮助源节点向目的节点传输信息或者能量。2016年Y.Liu假设在无线网络中，传感器节点可以同时从射频信号中提取信息和能量。然而这种接受机制实现的可能性低，在同一个信号中，传感器节点只能完成信息传输或能量收集一种，无法实现信息和能量的同时传输。2013年A.A.Nasir针对中继能量受限的无线网络提出了两种协作传输算法：基于时间分配传输协议与基于功率分配传输协议，中继节点可以在直接链路受阻的情况下完成信息与能量的协作传输，提高系统吞吐量。中继节点首先从源节点发送的射频信号中收集能量，之后转发源节点的信息到目的节点。基于上述两种中继协作协议。2016年Z.Zheng提出了点对点中继系统的资源分配策略。2017年L.Wang提出一种自适应接收机制，这种机制可以实现两种协作模型的最优切换。2016年Y.Zeng基于中继传输构建出一种新型传输模型，适应于当某个节点准备向源节点发送信息，但其能量不足以支持本次信息传输的情况。信息节点首先通过射频信号接收足够的能量，随后进行信息的发送。2015年J.Liu研究了基于HTC(先收集能量再进行协作)协议的协作通信系统。2017年W.Wang考虑信道状态信息未知的状况下无线传输模型，在信息传输和能量收集之前，源节点会发送一个导频信号用于获取信道状态信息。此外，在无线网络中信道状态变化频繁，信道状态良好时以大功率传输信息会造成能量的浪费，信道状况差时传输信息将会有更大的概率造成传输中断，为解决这一难题，2015年A.A.Nasir提出一种中继传输协议，根据信道状况选择是否进行信息的传递。目前国内外虽有大量的研究针对无线网络信息与能量传输策略，但对于基于能量累积的信息与能量双向传输系统性能的优化方法的研究较匮乏。并且现存的一些信息与能量同时传输的方法以及其优化方法有较多的局限性。首先，现有的方法不能够进行能量累积，当能量接收节点接收能量的能力受到限制的时候，并且能量发送节点却可以无限制的发送出大量的能量，这样就会导致供大于求，并不能由能量接收节点完全接收和利用，有很大部分的能量资源在传输中被白白浪费，进而导致能量利用率降低，这个时候能量的累积便具有了重要的意义。其次，对于现在研究的大部分的信息与能量的同传问题，还都是集中在单方向的点对点的传输，节点间单向的传输是研究的基础，但是在实际情况下，节点间的信息或者能量也是需要双向传输的，所以采用创新性的双向传输具有重要的研究价值。最后，根据目前的研究现状来看，能量累积与时间分配和功率分配策略进行结合提出的协作算法还是鲜少见的，这将是很有研究前景的一种传输算法，并且对于系统新能的优化方法还需要进一步提高，