【技术实现步骤摘要】
基于射频能量补偿的能量受限智能感知设备寿命延长方法
本专利技术具体涉及一种基于射频能量补偿的能量受限智能感知设备寿命延长方法。
技术介绍
随着经济技术的发展，智慧城市也得到了长足的发展。智慧城市中存在大量的智能感知设备用于感知周围数据，其中绝大多数都是由便携式电池供电，因此运行时间有限。对于需要定期报告的少量数据，例如，感知的城市空气质量数据，城市管道系统状态监测数据，公共建筑结构监测数据，城市桥梁结构监测数据，若智能感知设备配备低功率广域接口(LowPowerWideArea，LPWA)(例如，通用分组无线服务(GeneralPacketRadioService，GPRS)或窄带物联网(NarrowBandInternetofThings，NB-IoT))，它将能够通过蜂窝基站轻松地向数据中心报告这些感知到的数据。然而，随着此类报告数量的增加，智能感知设备的电池寿命将逐步降低。特别是当它远离基站或在蜂窝覆盖区域的边缘时，电池的能量消耗会更快，并且可能导致相邻蜂窝之间更大的干扰。通过更换电池可以延长智能感知设备的寿命，但是这可能是费事、费力、昂贵的，甚至是不可能的(例如，医用植入设备：供电电池容量通常是一定的，一般可供使用几年，能量耗尽则需手术更换)。为了延长这类智能感知设备的寿命，无线可充电传感器已被广泛植入智能传感设备中。因此，这类智能感知设备可通过无线能量收集获得电能。在智慧城市中，可以通过移动充电车辆作为能量发射器为智能感知设备无线供电，但是仍难以覆盖所有智能感知设备，而且，很容易造成交通拥堵。在传统的无线供电蜂窝网络中，通常部署专用的功率信标为可...
【技术保护点】
1.一种基于射频能量补偿的能量受限智能感知设备寿命延长方法，包括如下步骤：S1.建立智能感知设备网络模型：包括一个蜂窝基站，若干个能量充足的智能终端，以及与每个能量充足的智能终端连接的若干个能量受限的智能感知设备；能量充足的智能终端用于给所连接的能量受限的智能感知设备充电，获取所连接的能量受限的智能感知设备上传的数据并转发蜂窝基站，以及直接向蜂窝基站发送自己的数据；能量受限的智能感知设备接收所连接的能量充足的智能终端的充电能量，并向蜂窝基站直接传输数据或者向所连接的能量充足的智能终端传输数据；针对每个能量充足的智能终端所连接的若干个能量受限的智能感知设备，又分为内圈组智能感知设备和外圈组智能感知设备；所述的能量充足的智能终端定义为剩余能量占总能量80％以上的智能终端；能量受限的智能感知设备定义为智能感知设备网络中使用无线可充电传感器感知周围数据、且剩余能量占总能量50％以下的智能感知设备；每个能量充足的智能终端计算自身与所连接的若干个能量受限的智能感知设备之间的信道增益，并按照递减规则进行排序，排序后的信道增益为前50％所对应的能量受限的智能感知设备定义为内圈组智能感知设备；排序后的信...
【技术特征摘要】
1.一种基于射频能量补偿的能量受限智能感知设备寿命延长方法，包括如下步骤：S1.建立智能感知设备网络模型：包括一个蜂窝基站，若干个能量充足的智能终端，以及与每个能量充足的智能终端连接的若干个能量受限的智能感知设备；能量充足的智能终端用于给所连接的能量受限的智能感知设备充电，获取所连接的能量受限的智能感知设备上传的数据并转发蜂窝基站，以及直接向蜂窝基站发送自己的数据；能量受限的智能感知设备接收所连接的能量充足的智能终端的充电能量，并向蜂窝基站直接传输数据或者向所连接的能量充足的智能终端传输数据；针对每个能量充足的智能终端所连接的若干个能量受限的智能感知设备，又分为内圈组智能感知设备和外圈组智能感知设备；所述的能量充足的智能终端定义为剩余能量占总能量80％以上的智能终端；能量受限的智能感知设备定义为智能感知设备网络中使用无线可充电传感器感知周围数据、且剩余能量占总能量50％以下的智能感知设备；每个能量充足的智能终端计算自身与所连接的若干个能量受限的智能感知设备之间的信道增益，并按照递减规则进行排序，排序后的信道增益为前50％所对应的能量受限的智能感知设备定义为内圈组智能感知设备；排序后的信道增益为后50％所对应的能量受限的智能感知设备定义为外圈组感知设备；S2.每一个能量充足的智能终端初始化自身的功率划分和时槽划分，并根据初始化的功率划分和时槽划分，计算自身为能量受限的智能感知设备转发的数据传输量并汇报给蜂窝基站；S3.蜂窝基站统计所有能量充足的智能终端所汇报的数据传输量，计算各个能量充足的智能终端的频段份额，并将计算结果下发每一个能量充足的智能终端；S4.每个能量充足的智能终端根据蜂窝基站的反馈的频段份额结果，计算使自身效用(即发送自身数据的传输量)最大化的功率划分和时槽划分，并根据该功率划分和时槽划分结果计算自身为能量受限的智能感知设备转发的数据传输量并汇报给蜂窝基站；S5.重复步骤S3～S4直至所有能量充足的智能终端所转发的能量受限的智能感知设备的数据传输量最大；S6.智能感知设备网络按照步骤S5得到的最优结果进行数据传输。2.根据权利要求1所述的基于射频能量补偿的能量受限智能感知设备寿命延长方法，其特征在于步骤S2所述的功率划分具体为划分数据传输功率和充电功率：充电功率为能量充足的智能终端给所连接的能量受限的智能感知设备充电的充电功率，数据传输功率为能量充足的智能终端向蜂窝网络传输数据的数据传输功率；所述的时槽划分有两类：一类是能量充足的智能终端与能量受限的智能感知设备之间的时槽划分，具体划分为充电时槽和数据传输时槽：充电时槽为能量充足的智能终端给所连接的能量受限的智能感知设备充电的充电时间长度，数据传输时槽为能量受限的智能感知设备向能量充足的智能终端传输数据的时间长度；另一类是能量充足的智能终端与蜂窝基站之间的时槽划分，具体划分为转发他人数据时槽和发送自身数据时槽。3.根据权利要求2所述的基于射频能量补偿的能量受限智能感知设备寿命延长方法，其特征在于步骤S2所述的计算自身为能量受限的智能感知设备转发的数据传输量，具体为采用如下步骤计算数据传输量：A.采用如下算式计算内圈组转发数据量其中，能量充足的智能终端的编号为j，其所连接的能量受限的智能感知设备中，内圈组智能感知设备的编号为i'且共有k个，外圈组智能感知设备的编号为i”且共有n-k个，为内圈组转发数据量，bj←i'(τ')为内圈组智能感知设备i'向能量充足的智能终端j发送的数据量且其中T'为一个单位时间间隔T内内圈组智能感知设备可用的时槽长度且η为最优充电时槽中划分给内圈组用户的比值，τ0为最优充电时槽，T为单位时间间隔，k为能量充足的智能终端j所连接的内圈组智能感知设备的个数，n为能量充足的智能终端j所连接的所有智能感知设备的个数，时槽划分为τ'＝[τ′0,τ′1,...,τ'k]，τ'0·T'为能量充足的智能终端为内圈组智能感知设备提供的充电时槽长度，τ′i′·T'为内圈组智能感知设备i'的数据传输时槽长度，H为能量受限智能感知设备向连接的能量充足的智能终端发送感知数据时的通信带宽，ρ为能量转换效率因子，为能量充足的智能终端j的充电功率，gi',j为内圈组智能感知设备i'和能量充足的智能终端j之间的信道增益；信道增益的计算公式为di,j为发送端i和接收端j之间的直线距离，Gt为发送端天线增益，Gr为接收端天线增益，λ为载波信号的波长，L为与传播无关的系统损耗因子，dcrossover为交叉距离，ht为发送端天线高度，hr为接收端天线高度；σj为能量充足的智能终端j周围的信道噪声功率；B.采用如下公式计算外圈组直发数据量式中外圈组智能感知设备的编号为i”，bs←i”(τ')为外圈组智能感知设备i”向蜂窝基站s直接发送的数据量且B为能量受限智能感知设备直接向蜂窝基站发送数据时的通信带宽，gi”,j为外圈组智能感知设备i”与能量充足的智能终端j之间的信道增益，gs,i”为外圈组智能感知设备i”与蜂窝基站之间的信道增益，σs为蜂窝基站周围的信道噪声功率；C.采用如下公式计算外圈组转发数据量式中bj←i”(τ”)为外圈组智能感知设备i”向能量充足的智能终端j发送的数据量且T”为一个单位时间间隔T内外圈组智能感知设备可用时槽长度且时槽划分为τ”＝[τ″0,τ″1,...,τ″n-k]，τ″0·T”为能量充足的智能终端提供无线充电的充电时槽长度，τ″i″·T”为外圈组的能量受限智能感知设备i”向能量充足的智能终端传输数据的数据传输时槽长度；gi”,j为外圈组智能感知设备i”与能量充足的智能终端j之间的信道增益；D.采用如下算式计算内圈组直发数据量式中bs←i'(τ”)为内圈组智能感知设备i'向蜂窝基站...
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