基于能耗最小化的串行能量采集方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于能耗最小化的串行能量采集方法，包括步驟一、網(wǎng)絡(luò)初始化；步驟二、網(wǎng)絡(luò)初始能量采集與信息傳輸；步驟三、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間優(yōu)化分配；步驟四、網(wǎng)絡(luò)傳輸階段。以能量消耗最小化為準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)一種新的無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸與能量采集時(shí)間分配方案進(jìn)行優(yōu)化，使得該網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)可以在能量消耗最小的條件下實(shí)施可靠的信息傳輸，有效減少無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)電能存儲(chǔ)容量需要，合理降低硬件成本，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)用戶節(jié)點(diǎn)能量采集效率與能量利用率的目的。
【專利說(shuō)明】
基于能耗最小化的串行能量采集方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)下的信息傳輸與能量采集方法，尤其設(shè)及一種基于 能耗最小化的串行能量采集方法，屬于無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 能耗效率是下一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)所需面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，隨著運(yùn)一問(wèn)題的提出，無(wú) 線供電通信網(wǎng)絡(luò)受到科學(xué)研究人員的廣泛關(guān)注。在運(yùn)一研究領(lǐng)域中，能量采集技術(shù)主要指 通過(guò)收集熱、振動(dòng)、光及電磁波等身邊的微量能源，使其轉(zhuǎn)換成電力的技術(shù)。其核屯、理念是 盡可能的利用平時(shí)舍棄的微量能源，為傳感器節(jié)點(diǎn)或其它低功率無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。 Varshney Lav R.于2008年在IEEE International Symposium on Information Theory發(fā) 表i侖文《Transporting information and energy simultaneously》表明可臥折中實(shí)現(xiàn)無(wú) 線通信與能量傳輸。Ju Hyungsik于2014年在IEEE Transactions on Wireless Communications發(fā)表論文《Throughput Maximization in Wireless Powered Communication化tworks》，該文獻(xiàn)給出了最優(yōu)時(shí)間分配方案，實(shí)現(xiàn)了該無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò) 上行鏈路吞吐量最大化。專利申請(qǐng)?zhí)枮?01410804039.9的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種基于 SWIPT下支持多用戶對(duì)高速通信的波束形成方法，其特點(diǎn)是根據(jù)多天線中繼結(jié)構(gòu)構(gòu)建新的 波束成形方案，將基于該方案得到的非凸最大速率求解數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為凸問(wèn)題，進(jìn)而完成 基于SWIPT下支持多用戶對(duì)高速通信的波束形成，但是并未設(shè)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量采集方式、信 息傳輸與能耗效率的優(yōu)化。然而，在發(fā)送一定信息量的條件下，無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)在多數(shù)應(yīng)用場(chǎng) 合更適合采取小型化的電能存儲(chǔ)裝置來(lái)滿足工作的需要。為此，本發(fā)明W能量消耗最小化 為準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)一種新的無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸與能量采集時(shí)間分 配方案進(jìn)行優(yōu)化，使得該網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)可W在能量消耗最小的條件下實(shí)施可靠的信息 傳輸，有效減少無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)電能存儲(chǔ)容量需要，合理降低硬件成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于能耗最小化的串行能量采集方法，通過(guò)對(duì)信息傳 輸與能量采集的時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化分配，保證系統(tǒng)所需傳輸信息量，有效降低無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)能 量消耗，提高能量采集效率，進(jìn)而達(dá)到減小電能存儲(chǔ)容量需求的目的。
[0004] 本發(fā)明的目的通過(guò)W下技術(shù)方案予W實(shí)現(xiàn)：
[0005] -種基于能耗最小化的串行能量采集方法，方案包括W下步驟：
[0006] 步驟一、網(wǎng)絡(luò)初始化：
[0007] 1)隨機(jī)部署K+1個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)，編號(hào)0為該無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)的綜合接入點(diǎn)，具 有可調(diào)發(fā)送功率Po;編號(hào)1~K為該無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)的用戶節(jié)點(diǎn)，第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)初始能量 Ek為0焦耳，所需傳輸?shù)男畔⒘繛镮k，能量轉(zhuǎn)化效率為Ck;
[000引2)綜合接入點(diǎn)發(fā)送下行廣播信息喚醒網(wǎng)絡(luò)，獲取網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)信息 hi, j，其中i，j = 0，1，…，K，i辛j ; hi, j表示第j個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)間的信 道狀態(tài)信息;獲取第j個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的距離化J和路徑傳輸損耗系數(shù)曰I,J;
[0009] 3)令綜合接入點(diǎn)與所有K個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)總通信時(shí)長(zhǎng)為T秒，隨機(jī)為0~K個(gè)節(jié)點(diǎn)分配初 始工作時(shí)間toT，tiT，…，tKT;其中ti為時(shí)間分配權(quán)重，i = 0，l，…，K，且toWi+-'+tK=l，令t = [t0tl...tK];
[0010] 步驟二、網(wǎng)絡(luò)初始能量采集與信息傳輸：
[0011] 1)計(jì)算初始第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，k = l，…，K，傳輸信息量Ik所需能耗
[0012]
[001引式中，護(hù)為噪聲方差；
[0014] 2)其干巧驢1)計(jì)貸初始笠 k個(gè)巧戶帶占可采隹h行鏈路能量
[0015]
[0016] 化,i(t)表示上行鏈路信息傳輸過(guò)程中，第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)從前第i個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)采集到 的能量，i = l,…，k-l;
[0017] 3)計(jì)算初始第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)所需下行鏈路能量采集
[nni只1

[0019] 4)綜合接入點(diǎn)在時(shí)間toT內(nèi)W功率Po發(fā)送下行鏈路信號(hào)XO:
[0020]
[0021]
[0022] 式中，{Ek,o(t)}表示不同分配時(shí)間t對(duì)應(yīng)的Ek,o(t)，k=l，…，K所構(gòu)成的集合； mp ?[與;(嗦表示選取所有K個(gè)節(jié)點(diǎn)中的最大Ek, 0(t);
[0023] 各用戶節(jié)點(diǎn)在時(shí)間toT內(nèi)接收綜合接入點(diǎn)發(fā)送的下行鏈路信號(hào)X0,采集并存儲(chǔ)此信 號(hào)能量，第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)為yk = hk,QX()+zk;其中，hk,Q為綜合接入點(diǎn)到第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn) 的信道狀態(tài)信息，Zk為加性高斯白噪聲，且假定各節(jié)點(diǎn)所接收噪聲信號(hào)功率可忽略；
[0024] 5)初始上行鏈路能量采集與信息傳輸
[0025] 第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)在時(shí)間T內(nèi)實(shí)施能量采集并存儲(chǔ)，在時(shí)間tkT內(nèi)按照時(shí)分多址方 式發(fā)送自身上行鏈路信息Xk,即第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)在前k-1個(gè)用戶發(fā)送上行鏈路信號(hào)時(shí)刻進(jìn)行 能量采集，隨后在完成發(fā)送自身上行鏈路信息后立即進(jìn)入休眠模式；
[00%]步驟=、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間優(yōu)化分配：
[0027] 1) W最小能耗為準(zhǔn)則，基于所需傳輸?shù)男畔⒘縄k計(jì)算第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，所需最小下 行鏈路能量采集，其中k=l，…，K:
[002引
[0029]
[0030]式中，
表示最小化不同分配時(shí)間t所對(duì)應(yīng)的集合中的 最大Ek(t)，k=l，…，K值；
表示計(jì)算Ek,o(t)過(guò)程中的應(yīng)滿足的采集時(shí)間約 束條件，且 [0。。11
[0032] 2)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)各用戶節(jié)點(diǎn)所需最小下行鏈路能量采集的巧
保存對(duì) 應(yīng)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間t為優(yōu)化后的時(shí)間分配值；
[0033] 步驟四、網(wǎng)絡(luò)傳輸階段
[0034] 在同一衰落信道塊中，按照各節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后的時(shí)間分配值t，采用時(shí)分多址傳輸方式 進(jìn)行信息傳輸與能量采集，在下一信道衰落信道塊中，若信道狀態(tài)信息發(fā)生改變，則對(duì)網(wǎng)絡(luò) 各節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間重新進(jìn)行優(yōu)化，重復(fù)執(zhí)行步驟否則，仍按當(dāng)前各節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后的時(shí)間分配 值，采用時(shí)分多址傳輸方式進(jìn)行信息傳輸與能量采集。
[0035] 本發(fā)明的目的可W通過(guò)W下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)：
[0036] 前述基于能耗最小化的串行能量采集方法，其中能量轉(zhuǎn)化效率:0<Ck < 0.6。
[0037] 前述基于能耗最小化的串行能量采集方法，其中步驟二所述在時(shí)間tkT內(nèi)按照時(shí) 分多址方式發(fā)送自身上行鏈路信息Xk化=1，…，K)，即在時(shí)間tiT內(nèi)，用戶節(jié)點(diǎn)IW功率Pi向 綜合接入點(diǎn)0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)2,…，K實(shí)施能量采集與存儲(chǔ);在時(shí)間 t2T內(nèi)，用戶節(jié)點(diǎn)2W功率P2向綜合接入點(diǎn)0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)3,…，K實(shí) 施能量采集與存儲(chǔ)；W此類推，在時(shí)間tkT內(nèi)，用戶節(jié)點(diǎn)kW功率Pk向綜合接入點(diǎn)0發(fā)送上行鏈 路信息，與此同時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)k+1，…，K實(shí)施能量采集與存儲(chǔ)。
[0038] 前述基于能耗最小化的串行能量采集方法，其中步驟=網(wǎng)絡(luò)時(shí)間優(yōu)化分配階段， 基于啟發(fā)式優(yōu)化算法中的標(biāo)準(zhǔn)粒子群優(yōu)化方法對(duì)各節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間進(jìn)行求解：
[0039] (1)映射K+1個(gè)節(jié)點(diǎn)到n個(gè)粒子；
[0040] (2)初始化粒子速度Vk為一組隨機(jī)數(shù)，初始化適應(yīng)度函數(shù)值Ek,o(t)=0,初始化各 節(jié)點(diǎn)時(shí)間分配值為一組隨機(jī)數(shù)，其和為T，并將此時(shí)間分配值映射到粒子初始位置yk(t);
[0041] (3)計(jì)算所需能耗與可采集的上行鏈路能量：
[0042] a.計(jì)算第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)化=1，…，K)傳輸Ik初始所需能耗
[0043]
[0044] b.計(jì)算初始第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)化=1，…，K)上行鏈路能量采集
[0045]
[0046] Ek,i(t)表示上行鏈路信息傳輸過(guò)程中，第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)從前第i個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)采集到 的能量，i = l,…，k-l;
[0047] (4)計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)
[004引
[0049] W最小能耗為準(zhǔn)則，基于所需傳輸?shù)男畔⒘縄k捜索第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)化=1，…，K)所 需最小
[0050] 下行鏈路能量采集
[0053]計(jì)算網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前所需最小下行鏈路能量采集的和 [0化4]
[0化1 ]
[0化2]
[0055] 保存對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間t為優(yōu)化后的時(shí)間分配值；
[0056] (5)更新粒子群
[0057] a.若當(dāng)前粒子個(gè)體極值優(yōu)于上一時(shí)刻該粒子個(gè)體極值，則更新當(dāng)前粒子個(gè)體極 值；
[005引 b.若當(dāng)前粒子個(gè)體極值優(yōu)于上一時(shí)刻全局極值，貝更新當(dāng)前全局極值；
[0059] C.更新每個(gè)粒子的速度Vk和位置yk(t);
[0060] (6)重復(fù)執(zhí)行步驟(3)-(5)直到達(dá)到最大迭代次數(shù)；
[0061] (7)當(dāng)達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，映射全局最優(yōu)粒子位置為最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間分配值 t，對(duì)應(yīng)E(t)為所需最小下行鏈路能量采集的最小值。
[0062] 前述基于能耗最小化的串行能量采集方法，當(dāng)用戶節(jié)點(diǎn)具備兩條射頻鏈路時(shí)，在 下行鏈路通信中于不同射頻鏈路同時(shí)完成信息傳輸和能量采集。
[0063] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:有效優(yōu)化用戶節(jié)點(diǎn)間信息傳輸與能量采 集的時(shí)間分配方案，在能量消耗最小的條件下實(shí)施可靠的信息傳輸，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)用戶節(jié) 點(diǎn)能量采集效率與能量利用率的目的。
【附圖說(shuō)明】
[0064] 圖1是本發(fā)明無(wú)線供電與通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0065] 圖2是本發(fā)明的通信協(xié)議時(shí)序圖；
[0066] 圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)工作與時(shí)間優(yōu)化分配流程圖；
[0067] 圖4是本發(fā)明的K = 3時(shí)隙優(yōu)化收斂曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0068] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0069] 本發(fā)明的一種基于能耗最小化的串行能量采集方法可W實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信系統(tǒng)信息 與能量的同時(shí)傳輸，保證所需信息量傳輸要求下，合理分配節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間，盡可能小的采集 能量，適用于具有任意個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示，在區(qū)域內(nèi)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)包括1個(gè) 綜合接入點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)0)和若干個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)I~K);綜合接入點(diǎn)O的功能是在其下行鏈路通 信時(shí)間toT內(nèi)發(fā)送能量。在上行鏈路通信時(shí)間tiT,…，ti(T內(nèi)接收數(shù)據(jù)信息。用戶節(jié)點(diǎn)k化= 1，…，K)的功能是在下行鏈路通信時(shí)間toT內(nèi)完成對(duì)綜合接入點(diǎn)0發(fā)送信號(hào)能量的采集，在 上行鏈路通信時(shí)間tiT，…，tk-iT內(nèi)完成對(duì)前k-1個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)上行鏈路信號(hào)的能量采集，并將 自身數(shù)據(jù)信息在上行鏈路通信時(shí)間tkT內(nèi)傳輸至綜合接入點(diǎn)0,隨后立即進(jìn)入休眠模式。本 實(shí)施例假定各用戶節(jié)點(diǎn)僅具有單一射頻鏈路，即在下行鏈路通信中綜合接入點(diǎn)0僅進(jìn)行能 量傳輸。但當(dāng)用戶節(jié)點(diǎn)具備兩條射頻鏈路時(shí)，也可在下行鏈路通信中于不同射頻鏈路同時(shí) 完成信息傳輸和能量采集的功能。
[0070]本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新型的所需能耗最小化準(zhǔn)則的信息傳輸與能量采集方法。在無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)上行鏈路傳輸信息量給定條件下，所提方法可W合理分配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作時(shí) 間，減小能量采集與儲(chǔ)存需求，改善無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸效率與能量利用率，如圖3所示是本發(fā)明 的系統(tǒng)工作與時(shí)間優(yōu)化分配流程圖，【具體實(shí)施方式】如下：
[0071 ] 1.網(wǎng)絡(luò)初始化階段，如圖1所示，
[0072] 1)隨機(jī)部署K+1個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)，編號(hào)0為該無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)的綜合接入點(diǎn)，編 號(hào)1~K為該無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)的用戶節(jié)點(diǎn);綜合接入點(diǎn)0部署在網(wǎng)絡(luò)四周的某一處，具有可 調(diào)發(fā)送功率Po,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息接收;各用戶節(jié)點(diǎn)均可直接與綜合接入點(diǎn)0實(shí)現(xiàn)通信，具有 能量采集、數(shù)據(jù)處理和發(fā)送的功能。第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)初始能量化為0焦耳，所需傳輸?shù)男畔⒘?為Ik,能量轉(zhuǎn)化效率為知(0<知< 0.6)。
[0073] 2)綜合接入點(diǎn)0發(fā)送下行廣播信息喚醒網(wǎng)絡(luò)，獲取網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)信 息hi, j (i，j = 0，1，…，K，i j)，hi, j表示第j個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)間的信道 狀態(tài)信息;獲取第j個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的距離化J和路徑傳輸損耗系數(shù)CU,J。
[0074] 3)令綜合接入點(diǎn)0與所有K個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)總通信時(shí)長(zhǎng)為T秒，隨機(jī)為0~K個(gè)節(jié)點(diǎn)分配 初始工作時(shí)間toT，tiT，…，tKT。其中，ti為時(shí)間分配權(quán)重（i = 0，l，…，K)，且to+t^''WK= 1， 令 t=[t0tl...tK]。
[0075] 2.網(wǎng)絡(luò)初始能量采集與信息傳輸
[0076] 1)計(jì)算初始第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)化=1，…，K)傳輸Ik所需能耗
[0077]
[007引式中，S2為噪聲方差。
[0079] 2)基于步驟1)計(jì)算初始第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)化=1，…，K)可采集上行鏈路能量
[0080]
[0081] 化,i(t)表示上行鏈路信息傳輸過(guò)程中，第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)從前第ia = l，…，k-1)個(gè) 用戶節(jié)點(diǎn)采集到的能量。
[0082] 3)計(jì)算初始第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)化=1，…，K)所需下行鏈路能量采集
[0084] 4)綜合接入點(diǎn)0在時(shí)間toT內(nèi)W功率Po發(fā)送下行鏈路信號(hào)xo。
[0085]
[0086] Po = EoAtoT)
[0087] 式中，化表示不同分配時(shí)間t對(duì)應(yīng)的Ek,o(t)，k=l，…，K所構(gòu)成的集合；
表示選取所有K個(gè)節(jié)點(diǎn)中的最大化,0 (t)
[0088] 各用戶節(jié)點(diǎn)在時(shí)間toT內(nèi)接收綜合接入點(diǎn)0發(fā)送的下行鏈路信號(hào)X0,采集并存儲(chǔ)此 信號(hào)能量(本實(shí)施例假定各用戶節(jié)點(diǎn)僅具有單一射頻鏈路，即在下行鏈路通信中僅進(jìn)行能 量采集。但當(dāng)用戶節(jié)點(diǎn)具備兩條射頻鏈路時(shí)，也可在下行鏈路通信中于不同射頻鏈路同時(shí) 完成信息傳輸和能量采集的功能）。第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)為yk = hk,oxo+zk化=1，…，K)。 其中，hk,o為綜合接入點(diǎn)0到第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)信息，Zk為加性高斯白噪聲，且假定 各節(jié)點(diǎn)所接收噪聲信號(hào)功率可忽略。
[0089] 5)初始上行鏈路能量采集與信息傳輸
[0090] 第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)在時(shí)間^壞內(nèi)實(shí)施能量采集并存儲(chǔ)，在時(shí)間tkT內(nèi)按照時(shí)分多址方 式發(fā)送自身上行鏈路信息Xk化=1，???，K)。即，在時(shí)間tiT內(nèi)，用戶節(jié)點(diǎn)IW功率Pi向綜合接入 點(diǎn)0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)2,…，K實(shí)施能量采集與存儲(chǔ);在時(shí)間t2T內(nèi)，用戶 節(jié)點(diǎn)2W功率P2向綜合接入點(diǎn)0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)3,…，K實(shí)施能量采集 與存儲(chǔ)；W此類推，在時(shí)間tkT內(nèi)，用戶節(jié)點(diǎn)kW功率Pk向綜合接入點(diǎn)0發(fā)送上行鏈路信息，與 此同時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)k+1，…，K實(shí)施能量采集與存儲(chǔ)，如圖2所示。
[0091] 3.網(wǎng)絡(luò)時(shí)間優(yōu)化分配。
[0092] (1)映射K+1個(gè)節(jié)點(diǎn)到n個(gè)粒子。
[0093] (2)初始化粒子速度Vk為一組隨機(jī)數(shù)，初始化適應(yīng)度函數(shù)值化,0 (t )= 0，初始化各 節(jié)點(diǎn)時(shí)間分配值為一組隨機(jī)數(shù)(其和為T)，并將此時(shí)間分配值映射到粒子初始位置yk(t)。
[0094] (3)計(jì)算所需能耗與可采集的上行鏈路能量
[00M] a.計(jì)算第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)化=1，…，K)傳輸Ik初始所需能耗
[0096]
[0097] b.計(jì)算初始第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)化=1，…，K)上行鏈路能量采集 [009引
[0099] 化,i(t)表示上行鏈路信息傳輸過(guò)程中，第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)從前第ia = l，…，k-1)個(gè) 用戶節(jié)點(diǎn)采集到的能量。
[0100] (4)計(jì)算適應(yīng)度函數(shù) [01011
[0102] W最小能耗為準(zhǔn)則，基于所需傳輸信息量Ik捜索第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)化=1，…，K)所需 最小下行鏈路能量采集
[0105] 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前所需最小下行鏈路能量采集的和
[0103]
[0104]
[0106]
[0107] 保存對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間t為優(yōu)化后的時(shí)間分配值。
[0108] (5)更新粒子群
[0109] a.若當(dāng)前粒子個(gè)體極值優(yōu)于上一時(shí)刻該粒子個(gè)體極值，則更新當(dāng)前粒子個(gè)體極 值。
[0110] b.若當(dāng)前粒子個(gè)體極值優(yōu)于上一時(shí)刻全局極值，則更新當(dāng)前全局極值。
[011。 C.更新每個(gè)粒子的速度Vk和位置yk(t)
[0112] (6)重復(fù)執(zhí)行步驟(3)-(5)直到達(dá)到最大迭代次數(shù)。
[0113] (7)當(dāng)達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，映射全局最優(yōu)粒子位置為最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間分配值t (如圖4所示），對(duì)應(yīng)E(t)為所需最小下行鏈路能量采集的最小值。
[0114] 4.網(wǎng)絡(luò)傳輸階段
[0115] 在同一衰落信道塊中，按照各節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后的時(shí)間分配值t，采用時(shí)分多址傳輸方式 進(jìn)行信息傳輸與能量采集。即，在時(shí)間toT內(nèi)，綜合接入點(diǎn)OW功率Po持續(xù)發(fā)送下行鏈路信號(hào) X0,同時(shí)各用戶節(jié)點(diǎn)持續(xù)接收下行鏈路信號(hào)X0,采集并存儲(chǔ)此信號(hào)能量;在時(shí)間tiT內(nèi)，用戶 節(jié)點(diǎn)IW功率Pi向綜合接入點(diǎn)0發(fā)送上行鏈路信息，同時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)2,…，K實(shí)施能量采集與存 儲(chǔ)；在時(shí)間t2T內(nèi)，用戶節(jié)點(diǎn)2 W功率P2向綜合接入點(diǎn)0發(fā)送上行鏈路信息，同時(shí)用戶節(jié)點(diǎn) 3,…，K實(shí)施能量采集與存儲(chǔ)；W此類推，在時(shí)間tkT內(nèi)，當(dāng)用戶節(jié)點(diǎn)kW功率Pk向綜合接入點(diǎn)0 發(fā)送上行鏈路信息，同時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)k+1，…，K實(shí)施能量采集與存儲(chǔ)，如圖2所示。
[0116] 在下一信道衰落信道塊中，若信道狀態(tài)信息發(fā)生改變，則對(duì)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間 重新進(jìn)行優(yōu)化，重復(fù)執(zhí)行步驟3。否則，仍按當(dāng)前各節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后的時(shí)間分配值，采用時(shí)分多址 傳輸方式進(jìn)行信息傳輸與能量采集。
[0117] 如圖4所示是本發(fā)明的K = 3時(shí)隙優(yōu)化收斂曲線。
[0118] 除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可W有其他實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形 成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于能耗最小化的串行能量采集方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟一、網(wǎng)絡(luò)初始化： 1) 隨機(jī)部署K+1個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)，編號(hào)0為該無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)的綜合接入點(diǎn)，具有可 調(diào)發(fā)送功率Po;編號(hào)1~K為該無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)的用戶節(jié)點(diǎn)，第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)初始能量化為0 焦耳，所需傳輸?shù)男畔⒘繛镮k,能量轉(zhuǎn)化效率為Ck; 2) 綜合接入點(diǎn)發(fā)送下行廣播信息喚醒網(wǎng)絡(luò)，獲取網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)信息hi,J， 其中i，j=0，l，…，K，i辛表示第j個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)間的信道狀 態(tài)信息;獲取第j個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的距離化J和路徑傳輸損耗系數(shù)曰1,J; 3) 令綜合接入點(diǎn)與所有K個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)總通信時(shí)長(zhǎng)為T秒，隨機(jī)為0~K個(gè)節(jié)點(diǎn)分配初始工 作時(shí)間toT，tiT，…，tKT;其中ti為時(shí)間分配權(quán)重，i = 0，l，…，K，且toWi+-'+tK=l，令t = [to tl...tK]; 步驟二、網(wǎng)絡(luò)初始能量采集與信息傳輸： 1) 計(jì)算初始第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，k=l，-|，K，傳輸信息量Ik所需能耗式中，δ2為噪聲方差； 2) 基于步驟1)計(jì)算初始第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)可采集上行鏈路能量化,i(t)表示上行鏈路信息傳輸過(guò)程中，第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)從前第i個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)采集到的能 量，i = l，...，k-l; 3) 計(jì)算初始第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)所需下行鏈路能量采集4) 綜合接入點(diǎn)在時(shí)間toT內(nèi)W功率Po發(fā)送下行鏈路信號(hào)X0:P〇 = E〇/(t〇T) 式中，化k, 0 (t)}表示不同分配時(shí)間t對(duì)應(yīng)的Ek, 0 (t)，k = 1，…，K所構(gòu)成的集合； 表示選取所有K個(gè)節(jié)點(diǎn)中的最大Ek,o(t); 各用戶節(jié)點(diǎn)在時(shí)間toT內(nèi)接收綜合接入點(diǎn)發(fā)送的下行鏈路信號(hào)X0,采集并存儲(chǔ)此信號(hào)能 量，第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)為yk = hk,QX()+zk;其中，hk,Q為綜合接入點(diǎn)到第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的信 道狀態(tài)信息，Zk為加性高斯白噪聲，且假定各節(jié)點(diǎn)所接收噪聲信號(hào)功率可忽略； 5) 初始上行鏈路能量采集與信息傳輸 第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)在時(shí)間內(nèi)實(shí)施能量采集并存儲(chǔ)，在時(shí)間tkT內(nèi)按照時(shí)分多址方式發(fā) 送自身上行鏈路信息xk，即第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)在前k-1個(gè)用戶發(fā)送上行鏈路信號(hào)時(shí)刻進(jìn)行能量 采集，隨后在完成發(fā)送自身上行鏈路信息后立即進(jìn)入休眠模式； 步驟Ξ、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間優(yōu)化分配： 1. W最小能耗為準(zhǔn)則，基于所需傳輸?shù)男畔⒘縄k計(jì)算第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，所需最小下行鏈 路能量采集，其中k=l，…，Κ:式中，=1，…，表示最小化不同分配時(shí)間t所對(duì)應(yīng)的集合中的最大 Ek(t)，k = 1，…，K值％ > 0表示計(jì)算Ek, 0 (t)過(guò)程中的應(yīng)滿足的采集時(shí)間約束條 件，且2) 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)各用戶節(jié)點(diǎn)所需最小下行鏈路能量采集的和，保存對(duì)應(yīng)節(jié) 點(diǎn)分配時(shí)間t為優(yōu)化后的時(shí)間分配值； 步驟四、網(wǎng)絡(luò)傳輸階段 在同一衰落信道塊中，按照各節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后的時(shí)間分配值t，采用時(shí)分多址傳輸方式進(jìn)行 信息傳輸與能量采集，在下一信道衰落信道塊中，若信道狀態(tài)信息發(fā)生改變，則對(duì)網(wǎng)絡(luò)各節(jié) 點(diǎn)分配時(shí)間重新進(jìn)行優(yōu)化，重復(fù)執(zhí)行步驟Ξ;否則，仍按當(dāng)前各節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后的時(shí)間分配值， 采用時(shí)分多址傳輸方式進(jìn)行信息傳輸與能量采集。2. 如權(quán)利要求1所述的基于能耗最小化的串行能量采集方法，其特征在于，所述能量轉(zhuǎn) 化效率:0<Ck<0.6。3. 如權(quán)利要求1所述的基于能耗最小化的串行能量采集方法，其特征在于，步驟二所述 在時(shí)間tkT內(nèi)按照時(shí)分多址方式發(fā)送自身上行鏈路信息xk化=1，…，K)，即在時(shí)間tiT內(nèi)，用 戶節(jié)點(diǎn)功率Pi向綜合接入點(diǎn)0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)2,…，K實(shí)施能量采 集與存儲(chǔ);在時(shí)間t2T內(nèi)，用戶節(jié)點(diǎn)2W功率P2向綜合接入點(diǎn)0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時(shí)用 戶節(jié)點(diǎn)3,…，K實(shí)施能量采集與存儲(chǔ)；W此類推，在時(shí)間tkT內(nèi)，用戶節(jié)點(diǎn)kW功率Pk向綜合接 入點(diǎn)0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)k+1，…，K實(shí)施能量采集與存儲(chǔ)。4. 如權(quán)利要求1所述的基于能耗最小化的串行能量采集方法，其特征在于，步驟Ξ網(wǎng)絡(luò) 時(shí)間優(yōu)化分配階段，基于啟發(fā)式優(yōu)化算法中的標(biāo)準(zhǔn)粒子群優(yōu)化方法對(duì)各節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間進(jìn)行 求解： (1) 映射K+1個(gè)節(jié)點(diǎn)到η個(gè)粒子； (2) 初始化粒子速度vk為一組隨機(jī)數(shù)，初始化適應(yīng)度函數(shù)值Ek, 〇( t) = 0，初始化各節(jié)點(diǎn)時(shí) 間分配值為一組隨機(jī)數(shù)，其和為T，并將此時(shí)間分配值映射到粒子初始位置yk(t); (3) 計(jì)算所需能耗與可采集的上行鏈路能量： a.計(jì)算第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)化=1，···，Κ)傳輸Ik初始所需能耗b.計(jì)算初始第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)化=1，…，Κ)上行鏈路能量采集化,i(t)表示上行鏈路信息傳輸過(guò)程中，第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)從前第i個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)采集到的能 量，i = l，...，k-l; (4) 計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)W最小能耗為準(zhǔn)則，基于所需傳輸?shù)男畔⒘縄k捜索第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)化=1，…，K)所需最 小下行鏈路能量采集計(jì)算網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前所需最小下行鏈路能量采集的和保存對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間t為優(yōu)化后的時(shí)間分配值； (5) 更新粒子群 a. 若當(dāng)前粒子個(gè)體極值優(yōu)于上一時(shí)刻該粒子個(gè)體極值，貝更新當(dāng)前粒子個(gè)體極值； b. 若當(dāng)前粒子個(gè)體極值優(yōu)于上一時(shí)刻全局極值，貝更新當(dāng)前全局極值； C.更新每個(gè)粒子的速度vk和位置yk(t); (6) 重復(fù)執(zhí)行步驟(3)-巧)直到達(dá)到最大迭代次數(shù)； (7) 當(dāng)達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，映射全局最優(yōu)粒子位置為最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間分配值t，對(duì) 應(yīng)E(t)為所需最小下行鏈路能量采集的最小值。5.如權(quán)利要求1所述基于能耗最小化的串行能量采集方法，其特征在于，當(dāng)用戶節(jié)點(diǎn)具 備兩條射頻鏈路時(shí)，在下行鏈路通信中于不同射頻鏈路同時(shí)完成信息傳輸和能量采集。
【文檔編號(hào)】H04W52/24GK105848267SQ201610322539
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】解志斌, 顏培玉, 田雨波, 李效龍, 蘇胤杰
【申請(qǐng)人】江蘇科技大學(xué)