[发明专利]基于接收机电池状态的无线数据与能量一体化编码方法

说明书

本发明公开了一种基于接收机电池状态的无线数据与能量一体化编码方法，该方法包括采用一元编码方式在离散对称信道下进行数能传输，计算信源与信宿之间的互信息，计算电池的上溢概率和下溢概率，构建一元编码码字优化模型，采用遗传算法求解得到最优码字分布。本发明基于一元编码方式，通过考虑有限的电池容量，找到对应的最佳码字分布，满足互信息要求的同时，最大限度地减少电池能量缺少/电池能量溢出概率，在满足接收机能量获取需求的前提下，最大化对称信道的平均互信息量，实现对无线数据与能量一体化编码优化。

技术领域

本发明属于无线数能传输技术领域，具体涉及一种基于接收机电池状态的无线数据与能量一体化编码方法及一种无线数能同传系统。

背景技术

在即将到来的物联网(IoT)时代，吞吐量将会成为大规模部署的低功耗设备的主要研究部分。如数据收集，数据处理，数据下载和数据上传等所有这些物联网设备的功能都需要由嵌入式的电池进行供电。频繁的操作可能会迅速耗尽有限的电池电量。另外，很多物联网设备都部署在难以到达的地方，更换电池甚至更换物联网设备对于网络运营商来说是一项繁琐的任务，这可能会大幅增加他们的运营费用。因此，网络运营商不断寻求一种经济的方式来为物联网设备充电。一些物联网设备能够从可再生能源中获取能量：如阳光，风，潮汐和零星的射频(RF)信号。但是，随机到来的可再生能源对通信策略的设计提出了挑战，例如，需要考虑随机能量的到达来重新设计最佳发射功率的控制方案。因此，操作员更喜欢可控制的和可靠的远程充电方法，以减少可再生能源收集的不确定性。

基于射频的无线功率传输(WPT)有着以下其它方式无法具有的优势：

1)它可以将无线电力传输到远场物联网设备；

2)它可以灵活地形成窄波束，为单个器件充电，或者形成宽波束，为多个器件充电；

3)存在足够多的传统射频信号发射器，从而降低了对WPT基础设施的布置投资。

不过，无线信息传输(WIT)已经存在于RF频段中，加入WPT可能会严重降低WIT性能，因为它们可能会竞争珍贵的无线资源，以实现其特定的目标。因此，为了同时满足设备在RF频带中的WIT和WPT通信和充电需求，一种新兴的无线信息和能量同传(SWIPT)的技术应运而生。目前在SWIPT领域已经有了很多在信号设计、收发器设计、访问控制策略以及资源分配和网络方案等方面的研究。例如，Clerckx等人在Waveform Design for WirelessPower Transfer”中设计了专用于WPT的最优多正弦信号，而Y.Zeng等人专注于设计多正弦SWIPT信号。X.Zhou等人在“Wireless Information and Power Transfer:ArchitectureDesign and Rate-EnergyTradeoff”中设计出了第一个SWIPT的接收机结构，接收机采用了一个功率分配器，一个时间切换器或者用于同时接收信息和能量的电流分配器。除此之外Zhang等人在“MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and PowerTransfer”中优化了SWIPT发射机的MIMO发射波束。此外，Lv等人在“ThroughputMaximization and Fairness Assurance in Data and EnergyIntegratedCommunication Networks”中提出了一种应用于多用户SWIPT系统的时分多址(TDMA)最佳时域资源分配方案，旨在最大化吞吐量总和和用户上行链路公平性传输的吞吐量。Yang等人在“Multi-Dimensional Resource Allocation for Uplink ThroughputMaximisationin Integrated Data and Energy Communication Networks”中将多天线引入SWIPT发射机，得到了在空间，时间和能量域的联合资源分配方案。为了支持无电池设备的“临时”访问，Zhao等人在“Modelling and Performance Analysis of Wireless LANEnabled by RFEnergy Transfer”，“Enhanced CSMA/CA Protocol Design forIntegrated Data and EnergyTransfer in WLANs”中提出了几个载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CA)的协议并分析了它们的可达性能。此外，Zhao等人还在在“H-AP Deploymentfor Joint Wireless Information and Energy Transfer in SmartCities”中考虑了SWIPT用户移动的社会特征，研究出了最优的SWIPT发射机部署方案。