无线供能通信系统的自适应功率分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无线供能通信系统的自适应功率分配方法，包括：初始化信道状态信息以及时隙分配τT；能量接入点利用最大比发送技术来进行波束赋形，之后向数据接入点发送能量波束；数据接入点接收能量接入点的能量波束并将其转化为总发送功率，然后根据天线的功率限制和总发送功率确定发送天线子集的天线数目l，再选择数据信道状态最好的l根发送天线作为发送天线子集并对其进行等功率分配，最后利用最大比发送技术将需要的数据发给无线设备。该方法在天线存在功率限制的情况下，实现了对具有随机性的收集能量的自适应分配，提高了收集能量的利用效率和通信系统的可靠性。

Adaptive Power Allocation Method for Wireless Power Supply Communication System

The invention discloses an adaptive power allocation method for wireless power supply communication system, which includes: initializing channel state information and slot allocation T; energy access point shaping beams using maximum ratio transmission technology, and then sending energy beams to data access point; data access point receiving energy access point. The beam is converted into total transmit power. Then the number of antennas in the subset of transmit antennas is determined according to the power limitation and total transmit power of the antenna. Then the l-root transmit antenna with the best data channel state is selected as the subset of transmit antennas and its equal power distribution is carried out. Finally, the required data is transmitted using the maximum ratio transmission technology. For wireless devices. In the case of power limitation of antenna, this method realizes the adaptive allocation of random energy collection, and improves the efficiency of energy collection and the reliability of communication system.

【技术实现步骤摘要】
无线供能通信系统的自适应功率分配方法
本专利技术涉及无线供能通信系统和功率分配
，尤其涉及一种无线供能通信系统的自适应功率分配方法。
技术介绍
WPT(WirelessPowerTransfer，无线功率传输)技术是一项利用电磁波作为能量载体，从电源到负载无电气接触地进行电能传输的新型输电方法。相比于传统导线输电方式，其具有安全性、可靠性、便捷性等诸多优点，尤其适用于一些特殊的应用场合，例如植入人体的设备、高危险区域的设备和户外大规模的传感器。因为以上的诸多优点，无限功率传输技术受到了越来越广泛的关注并且将在实际中得到大量应用。WPCN(WirelessPoweredCommunicationNetworks，无线供能通信网络)是一种利用WPT技术来为大量通信节点持续供能的通信网络，其包含EAP(EnergyAccessPoint，能量接入点)、DAP(DataAccessPoint，数据接入点)和WD(WirelessDevice，无线设备)，其中WD从EAP的能量波束中收集能量并利用收集到的能量来和DAP通信。相比于传统通信网络，WPCN具有更长的通信寿命周期和更稳定的通信性能等优点。随着5G的兴起与物联网的高速发展，越来越多的传感器接入网络，形成大规模由WPT技术提供能量并以传感器作为主要设备的WPCN。然而，一般意义下的WPCN中的通信设备除了EAP外，都不具备电缆供能和电池等电能存贮设备，完全依赖WPT技术提供实时的能量，并且WPT所能提供的电能会受到传输能量的无线信道状态的影响，具有随机性。此外，由于天线存在发送功率的限制，超过限制的接收能量只能被舍弃，这导致功率使用效率低和通信性能差。为了在收集电能具有随机性和天线存在功率限制的情况下提高功率使用效率和通信性能，WPCN迫切需要一种高效的功率分配方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无线供能通信系统的自适应功率分配方法，可以提高收集能量的利用效率并且达到较好的通信性能。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种无线供能通信系统的自适应功率分配方法，包括：初始化信道状态信息以及时隙分配τT；能量接入点利用最大比发送技术来进行波束赋形，之后向数据接入点发送能量波束；数据接入点接收能量接入点的能量波束并将其转化为总发送功率，然后根据天线的功率限制和总发送功率确定发送天线子集的天线数目l，再选择数据信道状态最好的l根发送天线作为发送天线子集并对其进行等功率分配，最后利用最大比发送技术将需要的数据发给无线设备。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，能够在收集电能存在随机性和天线存在功率限制的情况下，根据功率限制、收集电能以及数据信道状态来选择合适的发送天线子集并自适应地进行功率分配；上述方案可以更充分有效地利用具有随机性的收集能量，并且可以降低系统的中断概率，提高通信的可靠性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的无线供能通信系统结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的无线供能通信系统的自适应功率分配方法的流程图；图3为本专利技术实施例提供的在能量传输信道是瑞利衰落的情况下系统的仿真和理论近似中断概率对比图；图4为本专利技术实施例提供的在能量传输信道是瑞利衰落的情况下当EAP具有不同发送天线数的中断概率图；图5为本专利技术实施例提供的在能量传输信道是瑞利衰落的情况下当DAP具有不同发送天线数的中断概率图；图6为本专利技术实施例提供的在能量传输信道是具有不同莱斯因子的莱斯衰落的情况下的中断概率图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。本专利技术实施例提供一种无线供能通信系统的自适应功率分配方法，无线供能通信系统是结构如图1所示，其主要包含能量接入点、数据接入点与无线设备三种类型的节点；其中，能量接入点具有N根发送能量的天线，数据接入点具有一根接收能量的天线和M根发送数据的天线，无线设备具有一根接收数据的天线。在完整的通信过程中，在最初时间段τT内，数据接入点(DAP)从能量接入点(EAP)发送的能量波束中收集能量并将其转换成发送功率，在之后的时间段(1-τ)T内，数据接入点(DAP)分配发送功率到各天线从而与无线设备(WD)通信。如图2所示，一种无线供能通信系统的自适应功率分配方法的流程图，其主要包括：1、初始化信道状态信息以及时隙分配τT；其中，τ是传输能量时的间间隔所占系统(一次实现)的总时间间隔的比例(大于0小于1)，T是系统(一次实现)的总时间间隔。2、能量接入点利用最大比发送技术(MRT)来进行波束赋形，之后向数据接入点发送能量波束。3、数据接入点接收能量接入点的能量波束并将其转化为总发送功率，然后根据天线的功率限制和总发送功率确定发送天线子集的天线数目l，再选择数据信道状态最好的l根发送天线作为发送天线子集并对其进行等功率分配，最后利用最大比发送技术将需要的数据发给无线设备。本步骤主要过程如下：1)计算数据接入点接收的能量Er：Er＝τT||h||2pe；上式中，pe为能量接入点发送能量的功率，h为能量传输信道矢量，能量波束赋形矢量为b＝h*/||h||，*为共轭转置符号；2)将接收的能量Er转化成在时间段(1-τ)T内的总发送功率ptotal：上式中，η为能量转化效率。3)根据天线的功率限制和总发送功率确定发送天线子集的天线数目l，其公式为：上式中，M为数据接入点中用于发送数据的天线总数，pmax为每一天线的功率上限，Mpmax也即使用所有天线发送数据的总功率上限。4)等功率分配，其公式为：上式中，pt为每一天线所分配的功率，pmax为每一天线的功率上限。4、无线设备接收数据接入点输出的数据。假设数据发送点每一天线发送的数据信号为x，每一天线发送数据的功率等于其分配的功率，即|x|2＝pt；数据信道矢量为g，波束赋形向量为q＝g*/||g||，无线设备接收端的噪声n是循环对称复高斯变量n～CN(0,σ2)；其中，CN(0,σ2)表示循环对称复高斯分布，其均值为0，方差为σ2；则无线设备接收到的数据信号为：接收到的信噪比为：本专利技术实施例上述方案能够在收集电能存在随机性和天线存在功率限制的情况下，根据功率限制、收集电能以及数据信道状态来选择合适的发送天线子集并自适应地进行功率分配；上述方案可以更充分有效地利用具有随机性的收集能量，并且可以降低系统的中断概率，提高通信的可靠性。为了说明本专利技术的上述有益效果，下面结合图3～图6所示的性能仿真图来进行说明。仿真参数：EAP、DPA、WD三类节点各一个，EAP发送能量的天线个数是N＝5，DAP接受能量的天线个数是1，发送数据的天线个数是M＝5，WD接收数据的天线个数是1，能量传输信道在图3、图4、图5中是瑞利衰落而在图6中是莱斯衰落，数据传输信道一直是瑞利衰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线供能通信系统的自适应功率分配方法，其特征在于，包括：初始化信道状态信息以及时隙分配τT；能量接入点利用最大比发送技术来进行波束赋形，之后向数据接入点发送能量波束；数据接入点接收能量接入点的能量波束并将其转化为总发送功率，然后根据天线的功率限制和总发送功率确定发送天线子集的天线数目l，再选择数据信道状态最好的l根发送天线作为发送天线子集并对其进行等功率分配，最后利用最大比发送技术将需要的数据发给无线设备。

【技术特征摘要】
1.一种无线供能通信系统的自适应功率分配方法，其特征在于，包括：初始化信道状态信息以及时隙分配τT；能量接入点利用最大比发送技术来进行波束赋形，之后向数据接入点发送能量波束；数据接入点接收能量接入点的能量波束并将其转化为总发送功率，然后根据天线的功率限制和总发送功率确定发送天线子集的天线数目l，再选择数据信道状态最好的l根发送天线作为发送天线子集并对其进行等功率分配，最后利用最大比发送技术将需要的数据发给无线设备。2.根据权利要求1所述的一种无线供能通信系统的自适应功率分配方法，其特征在于，无线供能通信系统包含能量接入点、数据接入点与无线设备三种类型的节点；其中，能量接入点具有N根发送能量的天线，数据接入点具有一根接收能量的天线和M根发送数据的天线，无线设备具有一根接收数据的天线。3.根据权利要求1所述的一种无线供能通信系统的自适应功率分配方法，其特征在于，所述数据接入点接收能量接入点的能量波束并将其转化为总发送功率包括：首先，计算数据接入点接收的能量Er：Er＝τT||h||2pe；上式中，pe为能量接入点发送能量的功率，h为能量传输信道矢量，能量波...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩成成，陈力，陈晓辉，王卫东，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34