[发明专利]无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置及方法

说明书

本发明属于无线能量传输技术领域，提出无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置及方法；所述装置包括时间分阶模块将无线供电网络中的时间周期分为三个阶段；下行能量收集模块在下行能量传输阶段从混合接入点发送的射频信号中获取能量并存储；时间反演探测模块在时间反演探测阶段对探测到的信道脉冲响应进行时间反演；上行信息传输模块在上行信息传输阶段利用获取到的能量进行上行数据传输；时间分配模块采用与各个阶段对应的分配方式进行时间分配。本发明利用时间反演特有的空时聚焦性抑制干扰；采用分段进行时间分配，以最大化系统吞吐量为目标，设置优化目标函数；通过结合二分法，求出最优解。本发明可以有效地抑制干扰，提升系统性能。

技术领域

本发明涉及无线能量传输技术领域，特别涉及一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置及方法。

背景技术

无线能量传输技术(Wireless Energy Transfer,WET)是能量收集技术的一种，能够为无线设备提供持续而稳定的能量。在无线能量传输技术发展的基础上，无线供电通信网(Wireless Powered Communication Network,WPCN)进而产生，它能够解决无线通信设备的能量受限问题。在该系统中无线通信设备可以将接收到的射频信号转化为能量，并利用转化的能量来与其他的设备进行通信。近年来，随着物联网的快速发展，越来越多的学者倾向于研究如何利用无线能量传输技术来支持规模更大、应用场景更复杂、QoS保障更严格的无线通信网络。

在多用户无线供电网络中存在多种干扰影响系统性能，采用时分多址(TimeDivision Multiple Access,TDMA)接入方式能有效解决用户间干扰问题，空分多址(SpaceDivision Multiple Access,SDMA)接入方式在干扰增多的情况下也进一步提升了系统吞吐量。随着接入方式的变化，系统的时间分配方式也随之改变。针对无线供电通信网的时间分配问题，研究人员提出采用TDMA接入方式，基于用户公共吞吐量最大的时间分配算法，发现了多用户无线通信网中存在的“双重远近”问题。针对分布式大规模MIMO-WPCN系统的时间分配问题，提出了基于最大能量效率的迭代算法。在MU-WPCN系统中联合时间和功率分配算法最大化系统速率。

上述时间分配方案没有仔细考虑上行传输干扰以保障用户上行传输信息的准确性，同时考虑到上行信息传输过程中存在用户间干扰，影响系统吞吐量，导致系统信息传输速率较慢。

发明内容

针对多用户无线供电网络上行信息传输过程中存在用户间干扰，影响系统吞吐量这个问题。本发明结合时间反演技术，提出一种以无线供电网络吞吐量最大为目标的时间分配方法。首先利用时间反演特有的空时聚焦性抑制干扰；然后分段进行时间分配，以最大化系统吞吐量为目标，设置优化目标函数；最后，通过逐次优化变量将非凸函数进行凸优化转换，结合二分法，求出最优解。通过理论推导出用户平均吞吐量和系统总吞吐量，并进行了蒙特卡罗仿真。仿真结果表明，所提方案可以有效地抑制干扰，提升系统性能。

为了解决这一问题，本发明引入了时间反演(Time Reversal,TR)技术，利用其特性获取信道状态信息并抑制上行传输干扰。研究表明时间反演技术是物联网的一种有前景的研究方向，同时可以用于能量收集系统中。将时间反演技术与能量收集技术结合，在主动窃听条件下，时间反演技术可以有效降低系统误码率。时间反演技术具有“隧道效应”，在云无线接入网的上行传输过程中能够有效抑制干扰，提升系统吞吐量。

针对多用户无线供电通信网上行信息传输过程中存在用户间干扰，影响系统吞吐量这个问题，本发明提出结合时间反演技术，提出一种以无线供电网络吞吐量最大为目标的时间分配方法。主要包括两个部分：第一部分首先将系统一个时间周期分为三个阶段，然后利用时间反演技术获取信道信息并抑制用户上行传输干扰，提升系统容量。第二部分采用时间分配算法对能量传输阶段、时间反演探测阶段和信息传输阶段的时间进行分配，在保障用户服务质量需求的同时，使系统总吞吐量最大。

基于上述构思，本发明提出的一种无线供电网络中基于时间反演的时间分配装置，所述装置包括：