[发明专利]一种针对地下无线供能传感网络吞吐量优化方法

权利要求书

1.一种针对地下无线供能传感网络吞吐量优化方法，用以在保证可靠链路的前提下实现多用户的后向散射辅助地下无线供能传感网络系统的网络整体吞吐量优化，其特征在于，包括以下步骤：

1)地下传感节点向射频能量源发送请求信息，请求射频能量源进行最优时隙分配；

2)射频能量源为每个地下传感节点根据当前信道状态信息和实际的非线性能量采集过程，获取最优时隙分配方案，并将该方案根据每一个节点序号广播给各个地下传感节点；

其中，获取最优时隙分配方案具体包括以下步骤：

21)构建后向散射辅助地下无线供能传感网络系统，该网络系统包括一个射频能量源、N个有能量采集容量限制的地下传感节点以及一个接收端；

22)基于后向散射辅助地下无线供能传感网络系统的限制设计基于时分多址的无线供能和数据传输方案；

23)在保证链路可靠性的前提下，根据当前信道状态信息和实际的非线性能量采集过程，构建系统整体网络吞吐量最大化问题模型并求解，获取最优时隙分配方案；

所述的无线供能和数据传输方案中，一个时间块T分为两个阶段，即后向散射/能量采集阶段和主动通信阶段，在后向散射/能量采集阶段的时隙内，地下传感节点可以选择后向散射通信或者采集射频能量用于下阶段的主动通信，并且在一个时间块内，只允许存在一个地下传感节点进行后向散射通信，防止导致节点间的后向散射通信干扰，当网络系统中的地下传感节点n在时长λ_n进行后向散射通信时，其余地下传感节点可以从射频源采集能量；

所述的步骤23)中，系统整体网络吞吐量最大化问题模型表述为：

其中，R_sum为最大网络吞吐量，为传感节点n在后向散射通信模式下的可达吞吐量，为传感节点n在HTT模式下的可达吞吐量，τ_n为的地下传感节点n主动通信时隙，t₀和T-t₀分别为后向散射/能量采集阶段和主动通信阶段的时隙，为接收端的信噪比阈值，为在主动通信的过程中信号到达接收端的信噪比，γ_BSC-min和γ_HTT-min分别为后向散射通信和主动通信中的最低接收信噪比值；

所述的传感节点n在后向散射通信模式下的可达吞吐量的表达式为：

所述的传感节点n在HTT模式下的可达吞吐量的表达式为：

其中，G_US和G_AP分别为地下传感节点和接收端的天线增益，W为地下传感节点后向散射通信到接收端的信道带宽，为接收端的噪声功率，和分别为地下传感节点n到接收端在地下土壤和空气的传播距离，η_n为反向散射通信效率，为地下传感节点n的平均接收功率，为地下传感节点n采集的射频能量，为地下传感节点至接收端的空气损耗，为地下传感节点至接收端的地下土壤损耗，为土壤-空气分界面折射损耗，k_n为中间变量；

3)各个地下传感节点执行最优时隙方案，射频能量源在T时间内向所有传感节点广播射频信号，地下传感节点根据自身所分配的时隙方案按照序号进行相应的后向散射通信，或进行HTT操作。

2.根据权利要求1所述的一种针对地下无线供能传感网络吞吐量优化方法，其特征在于，所述的步骤1)中，每个地下传感节点发送的请求信息中包含自身的地理信息以及土壤信息用以进行最优时隙分配计算，所述的地理信息包括掩埋深度和节点与接收端距离，所述的土壤信息包括含水量和土壤黏土含量。

3.根据权利要求1所述的一种针对地下无线供能传感网络吞吐量优化方法，其特征在于，所述的时隙分配方案具体包括每个地下传感节点的后向散射通信时隙、无线充电时隙以及主动通信时隙。

4.根据权利要求1所述的一种针对地下无线供能传感网络吞吐量优化方法，其特征在于，所述的步骤21)中，每个地下传感节点均带有射频能量采集模块和后向散射通信模块，使其能够自动切换HTT模式和后向散射模式，在HTT模式下，地下传感节点采集射频能量源提供的射频能量用于后续的主动通信，在后向散射模式下，地下传感节点利用采集射频能量源提供的射频信号将采集的传感信息通过后向散射通信技术传输到接收端，并且，HTT模式和后向散射模式不能同时运行。