一种无线携能通信网络资源分配优化方法技术

本发明专利技术公开了一种无线携能通信网络资源分配优化方法。该方法包括：针对无线携能通信网络，确定电源信标和无线节点的分布特征以及传输协议，其中将一个时间帧划分为空闲阶段和传输阶段，在空闲阶段，激活的电源信标广播能量信号，无线节点从能量广播信号中捕获能量，在传输阶段，收集到所需能量的无线节点随机选择一个时隙对其接收机传输信息，并且电源信标停止广播能量信号；在设定的空间容量约束下，考虑每个时间帧的能量消耗，设置无线携能通信网络的能量最小化问题；求解所述能量最小化问题，以确定优化的电源信标的覆盖范围和空闲阶段所分配的时隙数。本发明专利技术在满足性能度量约束下能够有效降低无线携能通信网络的总能量消耗。耗。耗。

【技术实现步骤摘要】
一种无线携能通信网络资源分配优化方法


[0001]本专利技术涉及通信
，更具体地，涉及一种无线携能通信网络资源分配优化方法。

技术介绍

[0002]随着6G通信和物联网(Internet of Things，IoT)的发展，无线携能通信网络(Wireless Powered Sensor Networks，WPSNs)作为其重要组成部分越来越受到人们的关注。无线携能通信是一种新型的无线通信类型，区别于传统无线通信仅仅传播信息，无线携能通信可以在传播传统信息类无线信号时，同时向无线设备传输能量信号，能量信号在被具有获能电路的无线设备接收后，经过一系列转换可以将无线能量存储在无线设备自身的电池中，这些捕获的能量将会被用于该无线设备的正常信息交互电路的耗能以及能量捕获电路的耗能。运用无线携能通信技术后，可以减少电线，排线的成本，可以免去给无线设备更换电池的麻烦。
[0003]无线携能通信网络是无线能量传输(Wireless Energy Transfer，WET) 与无线信息传输(Wireless Information Transmission，WIT)相结合的产物，并有望实现“一加一大于二”的效果。将WPT与WIT技术相结合是物质本质属性的体现，必将进一步拓展其各自的应用领域，为人们的生活带来深远的变革。
[0004]WET通常是指电磁能量传输，是指在没有电线作为物理链路的情况下传输电能。在无线电力传输系统中，由电源的电力驱动的发射器设备产生时变电磁场，该电磁场将能量通过无线传输到接收器设备，接收器设备从电磁场中收集能量并将其提供给负载电路。无线电力传输技术可以消除电子设备对电线和电池的依赖，从而增加电子设备的移动性、便利性和安全性。无线能量传输尤其对于互连电线不方便、危险或不可能的电力设备非常有用。
[0005]在无线携能通信网络中，无线传感器节点可以从周围环境中收集能量或从能量发射器接收能量以便进行无线通信，无线传感器节点一般采集相关数据信息，然后通过无线通信方式将这些数据汇总起来，以便用于分析处理等。然而，由于当前电源信标(Power Beacons)到无线传感器之间的端到端之间的无线能量传输效率普遍较低，因此电源信标需要较高的发射功率或者密集的部署才能够满足无线传感器的能量需求，这会导致整个无线携能通信网络的能耗过高。此外，随着未来6G网络中物联网设备数量的急剧增加，电源信标的这种高能耗问题可能会变得更加严重。因此，如何在维持无线传感器的可持续通信的前提下，有效降低供能设备的能耗问题，以实现绿色化无线携能通信网络，己成为亟待解决的问题。
[0006]目前关于WPSNs的大多数研究或基于蜂窝通信网络，或是以优化 WPSNs的性能表现为目的。对于基于蜂窝通信网络的优化设计，不能够直接应用于WPSNs。而关于无线携能通信网络的优化方案，通常是关注于其中的性能优化，资源分配用来最大化网络性能或者吞吐量，或者是优化信道估计和功率分配来提升网络到达速率等，但都忽略了由于追求性
能优化而带来的电源信标(Power Beacons，PBs)的高功耗问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种无线携能通信网络资源分配优化方法。该方法包括：
[0008]针对无线携能通信网络，确定电源信标和无线节点的分布特征以及传输协议，其中将一个时间帧划分为空闲阶段和传输阶段，在空闲阶段，激活的电源信标广播能量信号，无线节点从能量广播信号中捕获能量，在传输阶段，收集到所需能量的无线节点随机选择一个时隙对其接收机传输信息，并且电源信标停止广播能量信号；
[0009]在设定的空间容量约束下，考虑每个时间帧的能量消耗，设置无线携能通信网络的能量最小化问题；
[0010]求解所述能量最小化问题，以确定优化的电源信标的覆盖范围和空闲阶段所分配的时隙数。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的优点在于，提供一种绿色无线携能通信通络的资源分配优化设计方案，能够解决无线携能通信网络在满足性能需求下的能耗过高问题，提高了资源利用率并降低了能耗。
[0012]通过以下参照附图对本专利技术的示例性实施例的详细描述，本专利技术的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
[0013]被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本专利技术的实施例，并且连同其说明一起用于解释本专利技术的原理。
[0014]图1是根据本专利技术一个实施例的无线携能通信网络资源分配优化方法的流程图；
[0015]图2是根据本专利技术一个实施例的无线携能通信网络的系统模型示意图；
[0016]图3是根据本专利技术一个实施例的基于时间帧的传输协议示意图；
[0017]图4是根据本专利技术一个实施例的蒙特卡洛仿真验证结果示意图；
[0018]图5是根据本专利技术一个实施例的无线携能通信网络的能耗对比示意图。
具体实施方式
[0019]现在将参照附图来详细描述本专利技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本专利技术的范围。
[0020]以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。
[0021]对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
[0022]在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
[0023]应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一
个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0024]本专利技术设计了一种绿色无线携能通信网络的资源分配优化方案，在满足性能度量约束下能够有效的降低WPSNs的总能耗问题。参见图1所示，所提供的无线携能通信网络资源分配优化方法包括以下步骤：
[0025]步骤S110，针对无线携能通信网络进行系统建模，以确定无线节点以及电源信标的分布特征。
[0026]在一个实施例中，基于泊松点过程对无线携能通信网络进行系统建模。
[0027]参见图2所示，考虑具有随机部署的电源信标(PBs)和无线节点(WSs) 的无线携能通信网络，通过使用泊松点过程(Poisson Point Process，PPP) 将无线节点和电源信标建模为两个独立的齐次泊松点过程。认为当电源信标的一个圆形覆盖区内存在无线节点时，就在一个时间帧的开始阶段(如图3)激活电源信标，并对周围广播能量信号。然后，在一个时间帧的空闲阶段，无线节点从周围的电源信标的能量信号广播中捕获能量，以供其在传输阶段有足够的能量去发送信息，当无线节点收集到足够的能量(如能够满足其信息传输需求)就会在传输阶段进行信息传输。收集到足够能量的无线节点会在传输阶段中随机选择一个时隙进行信息传输，以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无线携能通信网络资源分配优化方法，包括以下步骤：针对无线携能通信网络，确定电源信标和无线节点的分布特征以及传输协议，其中将一个时间帧划分为空闲阶段和传输阶段，在空闲阶段，激活的电源信标广播能量信号，无线节点从能量广播信号中捕获能量，在传输阶段，收集到所需能量的无线节点随机选择一个时隙对其接收机传输信息，并且电源信标停止广播能量信号；在设定的空间容量约束下，考虑每个时间帧的能量消耗，将无线携能通信网络的能量最小化问题设置为：s.t.S≥δN∈{1，...,T
‑
1}求解所述能量最小化问题，以确定优化的d和N；其中，E(d，N)表示无线携能通信网络的能量消耗，δ是设定的大于0的常数，空间容量S表示在单位空间中成功传输信息的无线节点的数量，d表示电源信标所覆盖圆形区域的半径，N表示一个时间帧内空闲阶段的时隙数，T表示一个时间帧内的总时隙数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线携能通信网络的能量消耗表示为：E(d，N)＝λ
B
ρ
B
(P
B
+C1)N+λ
B
(1
‑
ρ
B
)C0N+λ
B
C0(T
‑
N)其中，λ
B
电源信标的密度，ρ
B
表示电源信标的激活概率，P
B
表示电源信标的传输功率，C1表示每个时隙中处于激活状态的电源信标的固定能量消耗，C0表示每个时隙中处于未激活状态的电源信标的固定能量消耗。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间容量S表示为：S＝λ
W
·
P
suc_i
其中，P
suc,i
表示无线节点的信息成功传输概率，λ
W
表示无线节点的密度。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述无线节点的信息成功传输概率表示为：P
suc,i
＝Ρ{SINR≥β,Z
i
≥P
W
}＝Ρ{SINR≥β|Z
i
≥P
W
}
·
Ρ{Z
i
≥P
W
}＝P
suc,i_con
·
ρ

【专利技术属性】
技术研发人员：车越岭，蒋一品，罗胜，伍楷舜，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：