一种无线供电通信网络的信息传输优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无线供电通信网络的信息传输优化方法及系统，该技术方案求解实际场景中无线供电通信网络WPCN对应的能源效用最大化模型，获取所述实际场景中无线供电通信网络WPCN的优化参数的最优值；调整所述实际场景中无线供电通信网络的优化参数为所述最优值；所述优化参数包括：无线供电通信网络WPCN中混合接入点HAP的传输功率P

【技术实现步骤摘要】
一种无线供电通信网络的信息传输优化方法及系统
本专利技术涉及网络优化设计领域，具体涉及一种无线供电通信网络的信息传输优化方法及系统。
技术介绍
近年来，随着物联网(Internetofthings，IoTs)的飞速发展，涌现了许多实时状态更新应用程序，例如智能驾驶，库存预测，天气监控和人体健康监控，这些应用程序对信息的新鲜度(freshnessofinformation)非常敏感并且对信息及时性有很高的要求。由于最新的状态更新信息对于实时系统在线做出正确的决策至关重要，因此如何尽快将状态更新信息传输到目标节点已引起了学术界和业界的广泛关注。为了表征信息的新鲜度，提出了信息年龄(ageofinformation，AoI)这个性能指标，其主要指最新的状态更新信息自生成到被目的节点接收所经过的时间。与传统以延迟和吞吐量为网络性能指标不同，AoI在描述信息的“及时性”方面具有强大的功能，可以更准确的刻画更新信息的新鲜程度。目的节点希望得到的更新信息越新鲜越好，即信息年龄越小越好。到目前为止，基于AoI的无线系统设计已迅速引起人们的关注。另一方面，在大多数支持状态更新应用程序的物联网网络中，小型物联网设备由容量有限的电池供电。手动更换和充电电池可能会导致巨大的人工成本，尤其是在大规模部署情况下或者在有毒和恶劣的环境中。为了解决这个问题，能量收集(energyharvesting，EH)技术应用而生，与自然能量源风能、太阳能相比，利用无线信号的射频(radio-frequency，RF)能量进行供电具有更高的可控性，并且能够在各种物理条件和环境下为低功率IoT设备提供稳定的电源。因此，基于RF的EH已在学术界的各种IoT场景中得到了广泛的研究。同时无线供电通信网络(WPCN)的硬件原型的成功建立，展示了基于RF的EH系统的实用性。由于基于RF的EH潜力巨大，可应用于各种能源受限的IoT，并且数据新鲜度是实时状态更新IoT系统的重要性能指标，因此在未来的实时状态更新IoT系统中，设计基于AoI的WPCN有望同时解决能源供应和信息新鲜度需求问题。在以往的研究工作中，即使无线节点(wirelessnode，WN)本身受到能量限制，也假设周围的无线节点始终愿意为低功率IoT设备充电，但实际上，无线节点由能量容量有限的电池供电或由稳定的有偿能源供应供电，因此它们可能具有很强的自私性，不愿意通过消耗自己的资源对其他节点的充电。因此，需要一种有效的激励机制来鼓励自私的无线节点对相邻的低功耗IoT设备充电。另外，在现有研究工作中，仅讨论了简单的两节点或三节点网络模型，但实际上，在物联网系统中经常部署大量无线节点，亟需研究多节点网络模型。
技术实现思路
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本专利技术提出基于AoI的多节点WPCN有效激励机制，通过能源激励方式克服无线网络的自私性并提高AoI性能。本专利技术提供的一种无线供电通信网络的信息传输优化方法，包括：求解实际场景中无线供电通信网络WPCN对应的能源效用最大化模型，获取所述实际场景中无线供电通信网络WPCN的优化参数的最优值；调整所述实际场景中无线供电通信网络的优化参数为所述最优值；其中，所述优化参数包括：无线供电通信网络WPCN中混合接入点HAP的传输功率PHAP、能量收集EH阶段的持续时间Teh、各无线节点WN的发射功率向量P、信息传输阶段的持续时间Ttx和物联网IoT设备的传输功率Pd。优选的，所述能源效用最大化模型的构建包括：以各无线节点WN在传递每个数据包时，每个数据包的信息年龄AoI和所需能量最小为目标，构建AoI能源效用函数；基于各无线节点WN的能源扣除率为所述AoI能源效用函数构建各无线节点WN的传输功率约束。进一步的，所述AoI能源效用函数的构建，包括：将能量收集EH阶段的持续时间Teh和信息传输阶段的持续时间Ttx之和作为每个数据包的信息年龄AoI；将能量收集EH阶段分为混合接入点HAP通过广播为所有的无线节点WN和物联网IoT设备充电的第一子阶段和所述混合接入点HAP与各无线节点WN一起为所述IoT设备充电的第二子阶段；将所述混合接入点HAP在所述第一子阶段和第二子阶段的传输功率之和作为传输每个数据包所需的能量；基于预定的参考效用值、每个数据包的信息年龄AoI和传输每个数据包所需的能量构建AoI能源效用函数。进一步的，所述AoI能源效用函数，如下式所示：式中：F表示AoI能源效用函数；PHAP表示HAP设备的传输功率；Ttx表示信息传输阶段的持续时间；Teh表示能量收集EH阶段的持续时间；Teh,1表示第一子阶段中的时间间隔；Teh,2表示第二子阶段中的时间间隔；是一个常数，表示预定的参考效用值；α是每个数据包信息年龄AoI的单位换算比例因子，β是能量的单位换算比例因子。优选的，所述各无线节点WN的传输功率约束，如下式所示：式中：Pm表示第m个无线节点WN的传输功率；θm∈(0,1)表示第m个无线节点WN的能源扣除率，第m个无线节点WN扣除θmEm的能量作为它给物联网IoT设备充电的激励；Em表示第m个无线节点WN在Teh,1时间内从混合接入点HAP收集到的能量，表示所有无线节点WN的集合。进一步的，所述能源效用最大化模型的构建还包括：为AoI能源效用函数构建下列约束条件：TtxPd＝Bs式中：Pd表示物联网IoT设备的传输功率；Ttx表示信息传输阶段的持续时间；Bs表示物联网IoT设备的能量缓存能力；式中：W是系统带宽，ha,d表示混合接入点HAP与物联网IoT设备之间无线链路的信道系数；N0是噪声频谱密度；L表示每个状态更新的数据包长度；Teh,1+Teh,2≥Ttx式中：Teh,1表示第一子阶段中的时间间隔；Teh,2表示第二子阶段中的时间间隔；Eeh,1+Eeh,2＝Bs式中：Eeh,1表示物联网IoT设备在第一子阶段收集的能量；Eeh,2表示物联网IoT设备在第二子阶段收集的能量；Eeh,1＝Teh,1min{ηehPHAP|ha,d|2,Meh}式中：ηeh∈(0,1]表示能量收集效率，PHAP表示HAP设备的传输功率；Meh表示RF-EH电路饱和值；式中：Pm表示第m个无线节点WN的传输功率；hm,d表示第m个无线节点WN与物联网IoT设备之间无线链路的信道系数；M表示无线节点WN的总数量；表示所有无线节点WN的集合；式中：表示混合接入点HAP的最大可用发射功率，表示第m个无线节点WN的最大可用发射功率；式中：表示物联网IoT设备的最大可用发射功率。优选的，所述求解实际场景中无线供电通信网络WPCN对应的能源效用最大化模型，获取所述实际场景中无线供电通信网络WPCN的优化参数的最优值，包括：基于物联网IoT设备进行信息传输时的能量守恒关系求解信息传输阶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线供电通信网络的信息传输优化方法，其特征在于，包括：/n求解实际场景中无线供电通信网络WPCN对应的能源效用最大化模型，获取所述实际场景中无线供电通信网络WPCN的优化参数的最优值；/n调整所述实际场景中无线供电通信网络的优化参数为所述最优值；/n其中，所述优化参数包括：无线供电通信网络WPCN中混合接入点HAP的传输功率P

【技术特征摘要】
1.一种无线供电通信网络的信息传输优化方法，其特征在于，包括：
求解实际场景中无线供电通信网络WPCN对应的能源效用最大化模型，获取所述实际场景中无线供电通信网络WPCN的优化参数的最优值；
调整所述实际场景中无线供电通信网络的优化参数为所述最优值；
其中，所述优化参数包括：无线供电通信网络WPCN中混合接入点HAP的传输功率PHAP、能量收集EH阶段的持续时间Teh、各无线节点WN的发射功率向量P、信息传输阶段的持续时间Ttx和物联网IoT设备的传输功率Pd。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能源效用最大化模型的构建包括：
以各无线节点WN在传递每个数据包时，每个数据包的信息年龄AoI和所需能量最小为目标，构建AoI能源效用函数；
基于各无线节点WN的能源扣除率为所述AoI能源效用函数构建各无线节点WN的传输功率约束。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述AoI能源效用函数的构建，包括：
将能量收集EH阶段的持续时间Teh和信息传输阶段的持续时间Ttx之和作为每个数据包的信息年龄AoI；
将能量收集EH阶段分为混合接入点HAP通过广播为所有的无线节点WN和物联网IoT设备充电的第一子阶段和所述混合接入点HAP与各无线节点WN一起为所述IoT设备充电的第二子阶段；
将所述混合接入点HAP在所述第一子阶段和第二子阶段的传输功率之和作为传输每个数据包所需的能量；
基于预定的参考效用值、每个数据包的信息年龄AoI和传输每个数据包所需的能量构建AoI能源效用函数。


4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述AoI能源效用函数，如下式所示：



式中：F表示AoI能源效用函数；PHAP表示HAP设备的传输功率；Ttx表示信息传输阶段的持续时间；Teh表示能量收集EH阶段的持续时间；Teh,1表示第一子阶段中的时间间隔；Teh,2表示第二子阶段中的时间间隔；是一个常数，表示预定的参考效用值；α是每个数据包信息年龄AoI的单位换算比例因子，β是能量的单位换算比例因子。


5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述各无线节点WN的传输功率约束，如下式所示：



式中：Pm表示第m个无线节点WN的传输功率；θm∈(0,1)表示第m个无线节点WN的能源扣除率，第m个无线节点WN扣除θmEm的能量作为它给物联网IoT设备充电的激励；Em表示第m个无线节点WN在Teh,1时间内从混合接入点HAP收集到的能量，表示所有无线节点WN的集合。


6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述能源效用最大化模型的构建还包括：
为AoI能源效用函数构建下列约束条件：
TtxPd＝Bs
式中：Pd表示物联网IoT设备的传输功率；Ttx表示信息传输阶段的持续时间；Bs表示物联网IoT设备的能量缓存能力；



式中：W是系统带宽，ha,d表示混合接入点HAP与物联网IoT设备之间无线链路的信道系数；N0是噪声频谱密度；L表示每个状态更新的数据包长度；
Teh,1+Teh,2≥Ttx
式中：Teh,1表示第一子阶段中的时间间隔；Teh,2表示第二子阶段中的时间间隔；
Eeh,1+Eeh,2＝Bs
式中：Eeh,1表示物联网IoT设备在第一子阶段收集的能量；Eeh,2表示物联网IoT设备在第二子阶段收集的能量；
Eeh,1＝Teh,1min{ηehPHAP|ha,d|2,Meh}
式中：ηeh∈(0,1]表示能量收集效率，PHAP表示HAP设备的传输功率；Meh表示RF-EH电路饱和值；



式中：Pm表示第m个无线节点WN的传输功率；hm,d表示第m个无线节点WN与物联网IoT设备之间无线链路的信道系数；M表示无线节点WN的总数量；表示所有无线节点WN的集合；



式中：表示混合接入点HAP的最大可用发射功率，表示第m个无线节点WN的最大可用发射功率；



式中：表示物联网IoT设备的最大可用发射功率。


7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述求解实际场景中无线供电通信网络WPCN对应的能源效用最大化模型，获取所述实际场景中无线供电通信网络WPCN的优化参数的最优值，包括：
基于物联网IoT设备进行信息传输时的能量守恒关系求解信息传输阶段的持续时间Ttx的最优值和物联网IoT设备的传输功率Pd的最优值；
将所述信息传输阶段的持续时间Ttx的最优值和物联网IoT设备的传输功率Pd的最优值代入所述能源效用最大化模型，得到第零中间能源效用最大化模型PA-0；
通过拉格朗日方法对所述第零中间能源效用最大化模型PA-0进行求解，得到混合接入点HAP的传输功率PHAP的最优值、第一子阶段的时间间隔Teh,1的最优值和第二子阶段的时间间隔Teh,2的最优值；
基于所述混合接入点HAP的传输功率PHAP的最优值、第一子阶段的时间间隔Teh,1的最优值和第二子阶段的时间间隔Teh,2的最优值计算各无线节点WN的发射功率向量P的最优值；
其中，所述第一子阶段的时间间隔Teh,1和第二子阶段的时间间隔Teh,2组成能量收集EH阶段的持续时间Teh。


8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述物联网IoT设备的传输功率Pd的最优值，按下式计算：



式中：为物联网IoT设备的传输功率Pd的最优值；Bs表示物联网IoT设备的能量缓存能力；是Lambert函数，W是系统带宽，ha,d表示混合接入点HAP与物联网IoT设备之间无线链路的信道系数；N0是噪声频谱密度；L表示每个状态更新的数据包长度；为物联网IoT设备的传输功率Pd的最大值；
所述信息传输阶段的持续时间Ttx的最优值，按下式计算：



式中：为信息传输阶段的持续时间Ttx的最优值。


9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通过拉格朗日方法对所述第零中间能源效用最大化模型PA-0进行求解，得到混合接入点HAP的传输功率PHAP的最优值、第一子阶段的时间间隔Teh,1的最优值和第二子阶段的时间间隔Teh,2的最优值，包括：
当物联网IoT设备从混合接入点HAP和各无线节点WN收集的能量功率≤RF-EH电路饱和值时，则物联网IoT设备在第二子阶段收集的能量Eeh,2等于物联网IoT设备从混合接入点HAP和各无线节点WN收集的能量功率，并代入第零中间能源效用最大化模型PA-0，得到第一中间能源效用最大化模型PA-1；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张煜，熊轲，吴鹏，单葆国，谭显东，王成洁，唐伟，谭清坤，刘小聪，贾跃龙，马捷，吴姗姗，张成龙，王向，张莉莉，
申请(专利权)人：国网能源研究院有限公司，北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11