一种针对地下无线供能传感网络吞吐量优化方法技术

本发明专利技术涉及一种针对地下无线供能传感网络吞吐量优化方法，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；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。与现有技术相比，本发明专利技术具有有效提高整体网络吞吐量和射频能量源的能效利用率、满足突发传输需求等优点。足突发传输需求等优点。足突发传输需求等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种针对地下无线供能传感网络吞吐量优化方法


[0001]本专利技术涉及地下无线供能传感网络领域，尤其是涉及一种针对地下无线供能传感网络吞吐量优化方法。

技术介绍

[0002]地下无线供能传感网络是一种用于地下基础设施长时间序列监测的解决方案，其主要由射频能量源、多个地下传感节点以及接收端组成。在该系统中，地下传感节点通过射频能量采集技术可以在下行链路捕获来自射频能量源提供的射频能量，并将该能量用于支持后续上行链路中的传感信息传输。我们将上述先捕获能量后发送传感数据的过程称为HTT策略。然而，由于地下传感节点是埋藏在土壤中，因此相对于现有地上无线供能传感网络，其需要更久的时间用于能量采集以保证传感信息的可靠传输。此外，由于HTT策略的限制，地下传感节点需要先采集射频能量再进行无线信息传输，因此现有无线供能传感网络系统无法满足突发信息传输的需求。
[0003]后向散射通信是一种利用周围环境中的电磁能量进行通信的技术。具体来说，发送节点吸收周围环境或专用的射频信号用于供能在后向散射通信模式下的电路运行以及后续的调制和反射射频信号到接收端，从而实现节点几乎不消耗能量进行信息传输。因为射频能量源在进行无线供能时候，可以有节点进行后向散射通信，所以该技术可以集成到无线供能传感网络中来有效无线供能时的时间利用率，进而提高网络整体吞吐量。相对于HTT策略，集成后向散射通信技术的无线供能传感网络还可满足突发信息传输的需求，然而，由于引入后向散射技术，如何优化后向散射通信时隙、无线能量传输时隙和主动通信时隙的分配来实现最大化网络吞吐量是亟待解决的问题。
[0004]通过现有技术的文献检索发现，尽管研究者对上述问题制定了相关优化策略，但没有专利技术考虑到地下土壤对无线供能传感网络系统的影响。此外，后向散射通信技术在地下无线供能传感网络的性能增益也尚未清晰。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种针对地下无线供能传感网络吞吐量优化方法，用以地下无线供能传感网络在保证可靠链路下提供一种提高整体网络吞吐量。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]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，包括以下步骤：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]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。
[0012]所述的步骤2)中，获取最优时隙分配方案具体包括以下步骤：
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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：
[0020](P1):
[0021]s.t.(C1)
[0022](C2)
[0023](C3)0≤t0≤1
[0024](C4)0≤λ
n
≤t0,
[0025](C5)0≤τ
n
≤1
‑
t0,
[0026](C6)
[0027](C7)
[0028]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。
[0029]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：
[0030][0031]所述的传感节点n在HTT模式下的可达吞吐量的表达式为：
[0032][0033]其中，G
PS
、G
US
和G
AP
分别为射频能量源、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，为接收端的噪声功率，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。
[0034]所述的地下传感节点n的平均接收功率的表达式为：
[0035][0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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；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，所述的步骤2)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。4.根据权利要求3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。5.根据权利要求3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。6.根据权利要求3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。7.根据权利要求6所述的一种针对地下无线供能传感网络吞吐量优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：林凯强，郝彤，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：