多节点分布式射频无线充电方法技术

本发明专利技术涉及无线充电领域，特别涉及一种多节点分布式射频无线充电方法。一种多节点分布式射频无线充电方法，包括如下步骤：（A）在每一个电力传输时隙开始时，每一个无线终端WD轮流向能量节点EN发送信号；（B）每一个能量节点EN向分配给自己的频率子信道上发送训练序列，每一个无线终端WD根据训练序列来估计所有子信道的增益；（C）每一个无线终端WD根据自己的电池电量选择一定量的子信道进行反馈；（D）每一个能量节点EN根据接收到的选票对自己子信道上的传输功率进行分配。本发明专利技术通过联合考虑无线器件的电池电量和无线信道状况，能够有效的对能量节点的传输功率进行频域分配，实现传输效率和用户公平性的均衡。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线充电领域，特别涉及一种多节点分布式射频无线充电方法。
技术介绍
现代无线传感器技术是将信息自动化控制技术与现实世界相互连接的桥梁。例如RFID、物联网和环境传感等无线传感器技术已经广泛地应用于物流和仓库管理、工业控制、环境和建筑物监测、医疗监护和智能家居等领域，是实现工业自动化和城市管理智能化的关键技术。通常无线传感器由电池供电，然而无线传感器往往由于尺寸的限制，自身携带的电池容量非常有限，不能够持续的支持器件的平稳运行，从而需要频繁的手动更换电池，或者间歇性的连接电源充电来维持正常的运行。显然，传感器间歇性的供电中断会造成高概率的监控中断，影响应用服务的稳定性；同时，频繁的手动更换电池会对一些大型的传感器网络造成很高的运营开支，比如拥有几千个传感器的物联网；此外，在一些特殊的应用场所，更换电池会带来极大的不便，比如植入人体的医疗电子传感器和植入建筑混凝土结构中的传感器等。另外一种常用的供电方式为环境能量采集，即无线传感器通过太阳能板、压控能量转换器和射频能量接收天线等器件采集期间周围环境中包括太阳能、风能、动能和射频信号等的能量，并将能量保存在可充电电池中用于之后的使用。这些能量源由于并不是专用于给无线传感器供电，可采集能量的机会往往是间断性的，采集到能量的多少也是时变而不可控的。因此，基于能量采集的无线传感器的性能在急需能量供应时无法得到有效的保障。相比于电池和环境能量采集供电技术，无线射频电力传输技术利用射频信号的传播特性，能够在对最大距离10米外的无线设备进行有效的充电。在原理上，能量发射节点通过专用射频天线将能量信号发送至中远距离的无线设备，而无线设备通过专用的能量接收天线以及能量采集电路，将接收到的射频信号转换为直流信号来为器件供电，或者将能量储存在电池中。现在市场上已经存在一些商业化的无线充电设备，包括Powercast公司的无线能量收发器和英特尔公司的无线供电RFID套装等。相比于电池和环境能量采集供电技术，无线射频电力传输技术不会中断器件的正常运行，能够持续的为器件供电。更重要的是，传输能量信号的大小、波形、时间和频率等参数均为可以调节的参数。因此，可以通过优化传输信号来提高能量传输的效率。现有射频无线充电技术的一个主要缺陷是其较低的能量传输效率。1个1瓦的能量传输节点发送射频信号到10米处的无线设备处的接收功率约为几十微瓦，该功率可能无法满足未来高性能无线传感器的能耗需求。虽然业界陆续提出了一些物理层技术来提高传输效率，比如使用多天线系统和更高效的能量采集电路，由于射频信号很快的能量衰落速率，整体而言对单个节点能量传输的性能提高十分有限。在面对较大规模的无线网络中的供电问题时，采用多个能量节点来协同传输能量尤为必要。当前的无线电力传输控制技术主要是针对点对点的电力传输应用，如使用多天线技术来提高单一无线设备接收到的能量。当使用多个能量节点来进行联合传输时，点对点的传输控制没有充分挖掘射频信号的广播特性，忽略了多个能量节点能量在一个无线设备上的叠加效应，因此造成了很大的传输能量浪费。同时，由于无线终端在位置和设备性能上的差异，忽略网络整体布局的点对点传输控制方法往往会造成严重的用户不公平，导致一部分用户可能接收到的能量过剩，而另外一些用户却严重的能量不足，进而造成很短的器件运行寿命，缩短整体网络的正常工作时间，降低了网络的稳定性。现有的一些无线充电控制方案提出了基于无线信道状况的传输端实时资源分配，比如使用能量波束成型和频域功率分配等方法来提高能量效率和用户公平性。然而在实际的多个能量节点和多个无线终端的网络中，基于信道的无线资源分配往往会造成巨大的系统资源开销用于向能量节点传递无线信道的状况，从而直接降低无线能量传输的效率，甚至会导致能量开销大于性能提升的情况，反而造成总体的网络性能下降。综上所述，现有无线充电控制技术应用于多能量传输节点和多终端用户的无线系统中时有以下技术缺陷：·较低的能量传输效率；·多能量节点传输时的能量浪费；·用户能量接收的不公平；实现传输端实时资源分配时会造成巨大的系统资源开销。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种多节点分布式射频无线充电方法，解决现有技术中多能量节点传输时的能量浪费的问题。本专利技术解决现有技术问题所采用的技术方案是：设计和制造一种多节点分布式射频无线充电方法，包括如下步骤：(A)在每一个电力传输时隙开始时，每一个无线终端WD轮流向能量节点EN发送信号，用于让EN知晓各个WD的当前电池阶段状态；(B)每一个能量节点EN向分配给自己的频率子信道上发送训练序列，每一个无线终端WD根据训练序列来估计所有子信道的增益；(C)每一个无线终端WD根据自己的电池电量选择一定量的子信道进行反馈；(D)每一个能量节点EN根据接收到的选票对自己子信道上的传输功率进行分配。作为本专利技术的进一步改进：所述步骤(A)中，将每一个无线终端WD的电池状态发送至能量节点EN，电池状态分为不同的阶段并对每个阶段分别进行标示，能量节点EN知晓无线终端WD的初始电池阶段状态。作为本专利技术的进一步改进：所述步骤(A)中，相邻的两个电力传输时隙，同一个无线终端WD会产生前后两个电池状态，当前一个电池状态和后一个电池状态不同时将发送信号至对应的能量节点EN，当前一个电池状态和后一个电池状态相同时则不发送信号至对应的能量节点EN，经过该反馈机制，能量节点EN可以知晓所有无线终端WD的当前电池阶段状态。作为本专利技术的进一步改进：每一个电力传输时隙分为信道训练、信道反馈以及无线能量传输三个部分；所述信道训练为每一个能量节点EN在每一个自己分配到的子频段上使用通信模块发送信道训练序列，而每一个无线终端WD使用通信模块独立地估计自己的有限个子信道增益；所述信道反馈为不同的无线终端轮流地使用通信模块将估计到的有限个子信道中部分信道有选择性地反馈给对应的能量节点；所述无线能量传输为不同的能量节点分别根据对应的无线终端的信道反馈，单独地做出传输功率在频率子信道上分配的决定。作为本专利技术的进一步改进：进行反馈时采用基于用户投票的信道反馈机制；不同的无线终端估计完对应的子信道的信道增益后，选择适合的信道并按照增益的顺序将信道编号同时发送给不同的能量节点EN；每一个能量节点EN接收到不同的无线终端的投票后，对分配给自己的子信道得到的选票进行统计。作为本专利技术的进一步改进：对选票进行统计之前，选票的权重按W矩阵进行计算；矩阵中每一个元素W(i,j)表示当投票的无线终端WD处于第i个电池能量阶段，且该选票所对应的子信道排在该无线终端WD所选择的全部信道的第j位时的得票权重，其中能量级别越低所对应的剩余能量也越少；W矩阵是系统所有能量节点EN和无线终端WD均事先知晓的网络参数，在充电控制的过程中是固定不变的。作为本专利技术的进一步改进：当每一个能量节点接收到来自用户的选票的时候，就将对自己分配到的子信道得到的选票进行统计，选票的和为所有投给该子信道的选票的权重加和，其公式为：其中，Wk表示分配给第k个WD反馈的子信道的集合，Bk为第k个WD所处在的能量阶段，Rj,k表示第j个信道在第k个WD反馈的子信道中的排名，即为第k个WD投给第j个子信道的选票的权重。作为本专利技术的进一步改进：所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多节点分布式射频无线充电方法，其特征在于：包括如下步骤：(A)在每一个电力传输时隙开始时，每一个无线终端WD轮流向能量节点EN发送信号，用于让EN知晓各个WD的当前电池阶段状态；(B)每一个能量节点EN向分配给自己的频率子信道上发送训练序列，每一个无线终端WD根据训练序列来估计所有子信道的增益；(C)每一个无线终端WD根据自己的电池电量选择一定量的子信道进行反馈；(D)每一个能量节点EN根据接收到的选票对自己子信道上的传输功率进行分配。

【技术特征摘要】
1.一种多节点分布式射频无线充电方法，其特征在于：包括如下步骤：(A)在每一个电力传输时隙开始时，每一个无线终端WD轮流向能量节点EN发送信号，用于让EN知晓各个WD的当前电池阶段状态；(B)每一个能量节点EN向分配给自己的频率子信道上发送训练序列，每一个无线终端WD根据训练序列来估计所有子信道的增益；(C)每一个无线终端WD根据自己的电池电量选择一定量的子信道进行反馈；(D)每一个能量节点EN根据接收到的选票对自己子信道上的传输功率进行分配。2.根据权利要求1所述的多节点分布式射频无线充电方法，其特征在于：所述步骤(A)中，将每一个无线终端WD的电池状态发送至能量节点EN，电池状态分为不同的阶段并对每个阶段分别进行标示，能量节点EN知晓无线终端WD的初始电池阶段状态。3.根据权利要求1所述的多节点分布式射频无线充电方法，其特征在于：所述步骤(A)中，相邻的两个电力传输时隙，同一个无线终端WD会产生前后两个电池状态，当前一个电池状态和后一个电池状态不同时将发送信号至对应的能量节点EN，当前一个电池状态和后一个电池状态相同时则不发送信号至对应的能量节点EN，经过该反馈机制，能量节点EN可以知晓所有无线终端WD的当前电池阶段状态。4.根据权利要求1所述的多节点分布式射频无线充电方法，其特征在于：每一个电力传输时隙分为信道训练、信道反馈以及无线能量传输三个部分；所述信道训练为每一个能量节点EN在每一个自己分配到的子频段上使用通信模块发送信道训练序列，而每一个无线终端WD使用通信模块独立地估计自己的有限个子信道增益；所述信道反馈为不同的无线终端轮流地使用通信模块将估计到的有限个子信道中部分信道有选择性地反馈给对应的能量节点；所述无线能量传输为不同的能量节点分别根据对应的无线终端的信道反馈，单独地做出传输功率在频率子信道上分配的决定。5.根据权利要求1所述的多节点分布式射频无线充电方法，其特征在于：进行反馈时采用基于用户投票的信道反馈机制；不同的无线终端估计完对应的子信道的信道增益后，选择适合的信道并按照增益的顺序将信道编号同时发送给不同的能量节点EN；每一个能量节点EN接收到不同的无线终端的投票后，对分配给自己的子信道得到的选票进行统计。6.根据权利要求3所述的多节点分布式射频无线充电方法，其特征在于：对选票进行统计之前，选票的权重按W矩阵进行计算；矩阵中每一个元素W(i,j)表示当投票的无线终端WD处于第i个电池能量阶段，且该选票所对应的子信道排在该无线终端WD所选择的全部信道的第j位时的得票权重，其中能量级别越低所对应的剩余能量也越少；W矩阵是系统所有能量节点EN和无线终端WD均事先知晓的网络参数，在充电控制的过程中是固定不变的。7.根据权利要求1所述的多节点分布式射频无线充电方法，其特征在于：当每一个能量节点接收到来自用户的选票的时候，就将对自己分配到的子信道得到的选票进行统计，选票的和为所有投给该子信道的选票的权重加和，其公式为：其中，Wk表示分配给第k个WD反馈的子信道的集合，Bk为第k个WD所处在的能量阶段，Rj,k表示第j个信道在第k个WD反馈的子信道中的排名，即为第k个WD投给第j个子信道的选票的权重。8.根据权利要求1所述的多节点分布式射频无线充电方法，其特征在于：所述步骤(D)中，当每一个能量节点统计完分配给自己的频率子信道所得到的选票，就按照以下的单一子信道功率分配方法对传输功率P0进行频域的分配： P j = P 0 / N , ...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕宿志，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44