本發(fā)明涉及無線充電領(lǐng)域，特別涉及一種多節(jié)點分布式射頻無線充電方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)代無線傳感器技術(shù)是將信息自動化控制技術(shù)與現(xiàn)實世界相互連接的橋梁。例如RFID、物聯(lián)網(wǎng)和環(huán)境傳感等無線傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于物流和倉庫管理、工業(yè)控制、環(huán)境和建筑物監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護和智能家居等領(lǐng)域，是實現(xiàn)工業(yè)自動化和城市管理智能化的關(guān)鍵技術(shù)。通常無線傳感器由電池供電，然而無線傳感器往往由于尺寸的限制，自身攜帶的電池容量非常有限，不能夠持續(xù)的支持器件的平穩(wěn)運行，從而需要頻繁的手動更換電池，或者間歇性的連接電源充電來維持正常的運行。顯然，傳感器間歇性的供電中斷會造成高概率的監(jiān)控中斷，影響應(yīng)用服務(wù)的穩(wěn)定性；同時，頻繁的手動更換電池會對一些大型的傳感器網(wǎng)絡(luò)造成很高的運營開支，比如擁有幾千個傳感器的物聯(lián)網(wǎng)；此外，在一些特殊的應(yīng)用場所，更換電池會帶來極大的不便，比如植入人體的醫(yī)療電子傳感器和植入建筑混凝土結(jié)構(gòu)中的傳感器等。另外一種常用的供電方式為環(huán)境能量采集，即無線傳感器通過太陽能板、壓控能量轉(zhuǎn)換器和射頻能量接收天線等器件采集期間周圍環(huán)境中包括太陽能、風(fēng)能、動能和射頻信號等的能量，并將能量保存在可充電電池中用于之后的使用。這些能量源由于并不是專用于給無線傳感器供電，可采集能量的機會往往是間斷性的，采集到能量的多少也是時變而不可控的。因此，基于能量采集的無線傳感器的性能在急需能量供應(yīng)時無法得到有效的保障。相比于電池和環(huán)境能量采集供電技術(shù)，無線射頻電力傳輸技術(shù)利用射頻信號的傳播特性，能夠在對最大距離10米外的無線設(shè)備進行有效的充電。在原理上，能量發(fā)射節(jié)點通過專用射頻天線將能量信號發(fā)送至中遠距離的無線設(shè)備，而無線設(shè)備通過專用的能量接收天線以及能量采集電路，將接收到的射頻信號轉(zhuǎn)換為直流信號來為器件供電，或者將能量儲存在電池中。現(xiàn)在市場上已經(jīng)存在一些商業(yè)化的無線充電設(shè)備，包括Powercast公司的無線能量收發(fā)器和英特爾公司的無線供電RFID套裝等。相比于電池和環(huán)境能量采集供電技術(shù)，無線射頻電力傳輸技術(shù)不會中斷器件的正常運行，能夠持續(xù)的為器件供電。更重要的是，傳輸能量信號的大小、波形、時間和頻率等參數(shù)均為可以調(diào)節(jié)的參數(shù)。因此，可以通過優(yōu)化傳輸信號來提高能量傳輸?shù)男省，F(xiàn)有射頻無線充電技術(shù)的一個主要缺陷是其較低的能量傳輸效率。1個1瓦的能量傳輸節(jié)點發(fā)送射頻信號到10米處的無線設(shè)備處的接收功率約為幾十微瓦，該功率可能無法滿足未來高性能無線傳感器的能耗需求。雖然業(yè)界陸續(xù)提出了一些物理層技術(shù)來提高傳輸效率，比如使用多天線系統(tǒng)和更高效的能量采集電路，由于射頻信號很快的能量衰落速率，整體而言對單個節(jié)點能量傳輸?shù)男阅芴岣呤钟邢?。在面對較大規(guī)模的無線網(wǎng)絡(luò)中的供電問題時，采用多個能量節(jié)點來協(xié)同傳輸能量尤為必要。當前的無線電力傳輸控制技術(shù)主要是針對點對點的電力傳輸應(yīng)用，如使用多天線技術(shù)來提高單一無線設(shè)備接收到的能量。當使用多個能量節(jié)點來進行聯(lián)合傳輸時，點對點的傳輸控制沒有充分挖掘射頻信號的廣播特性，忽略了多個能量節(jié)點能量在一個無線設(shè)備上的疊加效應(yīng)，因此造成了很大的傳輸能量浪費。同時，由于無線終端在位置和設(shè)備性能上的差異，忽略網(wǎng)絡(luò)整體布局的點對點傳輸控制方法往往會造成嚴重的用戶不公平，導(dǎo)致一部分用戶可能接收到的能量過剩，而另外一些用戶卻嚴重的能量不足，進而造成很短的器件運行壽命，縮短整體網(wǎng)絡(luò)的正常工作時間，降低了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的一些無線充電控制方案提出了基于無線信道狀況的傳輸端實時資源分配，比如使用能量波束成型和頻域功率分配等方法來提高能量效率和用戶公平性。然而在實際的多個能量節(jié)點和多個無線終端的網(wǎng)絡(luò)中，基于信道的無線資源分配往往會造成巨大的系統(tǒng)資源開銷用于向能量節(jié)點傳遞無線信道的狀況，從而直接降低無線能量傳輸?shù)男剩踔習(xí)?dǎo)致能量開銷大于性能提升的情況，反而造成總體的網(wǎng)絡(luò)性能下降。綜上所述，現(xiàn)有無線充電控制技術(shù)應(yīng)用于多能量傳輸節(jié)點和多終端用戶的無線系統(tǒng)中時有以下技術(shù)缺陷：·較低的能量傳輸效率；·多能量節(jié)點傳輸時的能量浪費；·用戶能量接收的不公平；實現(xiàn)傳輸端實時資源分配時會造成巨大的系統(tǒng)資源開銷。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種多節(jié)點分布式射頻無線充電方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中多能量節(jié)點傳輸時的能量浪費的問題。本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：設(shè)計和制造一種多節(jié)點分布式射頻無線充電方法，包括如下步驟：(A)在每一個電力傳輸時隙開始時，每一個無線終端WD輪流向能量節(jié)點EN發(fā)送信號，用于讓EN知曉各個WD的當前電池階段狀態(tài)；(B)每一個能量節(jié)點EN向分配給自己的頻率子信道上發(fā)送訓(xùn)練序列，每一個無線終端WD根據(jù)訓(xùn)練序列來估計所有子信道的增益；(C)每一個無線終端WD根據(jù)自己的電池電量選擇一定量的子信道進行反饋；(D)每一個能量節(jié)點EN根據(jù)接收到的選票對自己子信道上的傳輸功率進行分配。作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟(A)中，將每一個無線終端WD的電池狀態(tài)發(fā)送至能量節(jié)點EN，電池狀態(tài)分為不同的階段并對每個階段分別進行標示，能量節(jié)點EN知曉無線終端WD的初始電池階段狀態(tài)。作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟(A)中，相鄰的兩個電力傳輸時隙，同一個無線終端WD會產(chǎn)生前后兩個電池狀態(tài)，當前一個電池狀態(tài)和后一個電池狀態(tài)不同時將發(fā)送信號至對應(yīng)的能量節(jié)點EN，當前一個電池狀態(tài)和后一個電池狀態(tài)相同時則不發(fā)送信號至對應(yīng)的能量節(jié)點EN，經(jīng)過該反饋機制，能量節(jié)點EN可以知曉所有無線終端WD的當前電池階段狀態(tài)。作為本發(fā)明的進一步改進：每一個電力傳輸時隙分為信道訓(xùn)練、信道反饋以及無線能量傳輸三個部分；所述信道訓(xùn)練為每一個能量節(jié)點EN在每一個自己分配到的子頻段上使用通信模塊發(fā)送信道訓(xùn)練序列，而每一個無線終端WD使用通信模塊獨立地估計自己的有限個子信道增益；所述信道反饋為不同的無線終端輪流地使用通信模塊將估計到的有限個子信道中部分信道有選擇性地反饋給對應(yīng)的能量節(jié)點；所述無線能量傳輸為不同的能量節(jié)點分別根據(jù)對應(yīng)的無線終端的信道反饋，單獨地做出傳輸功率在頻率子信道上分配的決定。作為本發(fā)明的進一步改進：進行反饋時采用基于用戶投票的信道反饋機制；不同的無線終端估計完對應(yīng)的子信道的信道增益后，選擇適合的信道并按照增益的順序?qū)⑿诺谰幪柾瑫r發(fā)送給不同的能量節(jié)點EN；每一個能量節(jié)點EN接收到不同的無線終端的投票后，對分配給自己的子信道得到的選票進行統(tǒng)計。作為本發(fā)明的進一步改進：對選票進行統(tǒng)計之前，選票的權(quán)重按W矩陣進行計算；矩陣中每一個元素W(i,j)表示當投票的無線終端WD處于第i個電池能量階段，且該選票所對應(yīng)的子信道排在該無線終端WD所選擇的全部信道的第j位時的得票權(quán)重，其中能量級別越低所對應(yīng)的剩余能量也越少；W矩陣是系統(tǒng)所有能量節(jié)點EN和無線終端WD均事先知曉的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，在充電控制的過程中是固定不變的。作為本發(fā)明的進一步改進：當每一個能量節(jié)點接收到來自用戶的選票的時候，就將對自己分配到的子信道得到的選票進行統(tǒng)計，選票的和為所有投給該子信道的選票的權(quán)重加和，其公式為：其中，Wk表示分配給第k個WD反饋的子信道的集合，Bk為第k個WD所處在的能量階段，Rj,k表示第j個信道在第k個WD反饋的子信道中的排名，即為第k個WD投給第j個子信道的選票的權(quán)重。作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟(D)中，當每一個能量節(jié)點統(tǒng)計完分配給自己的頻率子信道所得到的選票，就按照以下的單一子信道功率分配方法對傳輸功率P0進行頻域的分配：如果該能量節(jié)點的所有子信道都沒有收到選票，傳輸功率將被均勻得分配到所有的子信道；除此之外，全部的傳輸功率將被分配到得票最高的子信道。作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟(C)中，反饋按以下方式來進行：當剩余能量很少的無線終端WD時，反饋的頻率子信道數(shù)量也少；當剩余能量很多的無線終端WD時，反饋的頻率子信道數(shù)量也少；當剩余能量適中的無線終端WD時，反饋較多數(shù)量的頻率子信道。本發(fā)明的有益效果是：通過聯(lián)合考慮無線器件的電池電量和無線信道狀況，本發(fā)明能夠有效的對能量節(jié)點的傳輸功率進行頻域分配，實現(xiàn)傳輸效率和用戶公平性的均衡。經(jīng)驗證，相比于簡單無控制的無線充電技術(shù)，本發(fā)明能夠平均延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)超過40％的運行壽命；消除了能量節(jié)點協(xié)同傳輸時信令等系統(tǒng)資源的開銷，實現(xiàn)起來簡明高效；每一個無線設(shè)備只需要估計本地子信道強度，并根據(jù)估計投出數(shù)量非常有限的選票，有效的節(jié)約了無線設(shè)備的硬件成本和用于反饋的能量開銷。附圖說明圖1是本發(fā)明模型示意圖；圖2是本發(fā)明中信道反饋示意圖；圖3是本發(fā)明充電控制示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。一種多節(jié)點分布式射頻無線充電方法，包括如下步驟：(A)在每一個電力傳輸時隙開始時，每一個無線終端WD輪流向能量節(jié)點EN發(fā)送信號，用于讓EN知曉各個WD的當前電池階段狀態(tài)；(B)每一個能量節(jié)點EN向分配給自己的頻率子信道上發(fā)送訓(xùn)練序列，每一個無線終端WD根據(jù)訓(xùn)練序列來估計所有子信道的增益；(C)每一個無線終端WD根據(jù)自己的電池電量選擇一定量的子信道進行反饋；(D)每一個能量節(jié)點EN根據(jù)接收到的選票對自己子信道上的傳輸功率進行分配。所述步驟(A)中，將每一個無線終端WD的電池狀態(tài)發(fā)送至能量節(jié)點EN，電池狀態(tài)分為不同的階段并對每個階段分別進行標示，能量節(jié)點EN知曉無線終端WD的初始電池階段狀態(tài)。所述步驟(A)中，相鄰的兩個電力傳輸時隙，同一個無線終端WD會產(chǎn)生前后兩個電池狀態(tài)，當前一個電池狀態(tài)和后一個電池狀態(tài)不同時將發(fā)送信號至對應(yīng)的能量節(jié)點EN，當前一個電池狀態(tài)和后一個電池狀態(tài)相同時則不發(fā)送信號至對應(yīng)的能量節(jié)點EN。經(jīng)過該反饋機制，能量節(jié)點EN可以知曉所有無線終端WD的當前電池階段狀態(tài)。在一實施例中，步驟(A)中，電池被分為少數(shù)幾個電池階段(比如5個階段)，假設(shè)所有的EN知道WD的初始電池階段。此后，在每一次無線電力傳輸時隙的開始階段，每一個WD廣播自己相比于之前一個時隙電池階段的改變(變高發(fā)送1，變低發(fā)送0，如果沒有變化就不發(fā)送)，因此EN可以知曉所有的EN的當前電池階段，從而對此后WD發(fā)送的選票進行加權(quán)統(tǒng)計。發(fā)送的信號是WD當前的電池狀態(tài)，只有當前電池階段發(fā)生改變時才會發(fā)送：如果電池階段下降，則發(fā)送0；如果上升，發(fā)送1；否則不發(fā)送。在適當?shù)牡胤阶⒚麟姵仉A段的定義，即將電池電量分為少量的幾個階段，同時，EN知道各個WD的初始電池狀態(tài)。每一個電力傳輸時隙分為信道訓(xùn)練、信道反饋以及無線能量傳輸三個部分；所述信道訓(xùn)練為每一個能量節(jié)點EN在每一個自己分配到的子頻段上使用通信模塊發(fā)送信道訓(xùn)練序列，而每一個無線終端WD使用通信模塊獨立地估計自己的有限個子信道增益；所述信道反饋為不同的無線終端輪流地使用通信模塊將估計到的有限個子信道中部分信道有選擇性地反饋給對應(yīng)的能量節(jié)點；所述無線能量傳輸為不同的能量節(jié)點分別根據(jù)對應(yīng)的無線終端的信道反饋，單獨地做出傳輸功率在頻率子信道上分配的決定。進行反饋時采用基于用戶投票的信道反饋機制；不同的無線終端估計完對應(yīng)的子信道的信道增益后，選擇適合的信道并按照增益的順序?qū)⑿诺谰幪柾瑫r發(fā)送給不同的能量節(jié)點EN；每一個能量節(jié)點EN接收到不同的無線終端的投票后，對分配給自己的子信道得到的選票進行統(tǒng)計。對選票進行統(tǒng)計之前，選票的權(quán)重按W矩陣進行計算；矩陣中每一個元素W(i,j)表示當投票的無線終端WD處于第i個電池能量階段，且該選票所對應(yīng)的子信道排在該無線終端WD所選擇的全部信道的第j位時的得票權(quán)重，其中能量級別越低所對應(yīng)的剩余能量也越少；W矩陣是系統(tǒng)所有能量節(jié)點EN和無線終端WD均事先知曉的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，在充電控制的過程中是固定不變的。當每一個能量節(jié)點接收到來自用戶的選票的時候，就將對自己分配到的子信道得到的選票進行統(tǒng)計，選票的和為所有投給該子信道的選票的權(quán)重加和，其公式為：其中，Wk表示分配給第k個WD反饋的子信道的集合，Bk為第k個WD所處在的能量階段，Rj,k表示第j個信道在第k個WD反饋的子信道中的排名，即為第k個WD投給第j個子信道的選票的權(quán)重。所述步驟(D)中，當每一個能量節(jié)點統(tǒng)計完分配給自己的頻率子信道所得到的選票，就按照以下的單一子信道功率分配方法對傳輸功率P0進行頻域的分配：如果該能量節(jié)點的所有子信道都沒有收到選票，傳輸功率將被均勻得分配到所有的子信道；除此之外，全部的傳輸功率將被分配到得票最高的子信道。所述步驟(C)中，反饋按以下方式來進行：當剩余能量很少的無線終端WD時，反饋的頻率子信道數(shù)量也少；當剩余能量很多的無線終端WD時，反饋的頻率子信道數(shù)量也少；當剩余能量適中的無線終端WD時，反饋較多數(shù)量的頻率子信道。在一實施例中，圖3為本發(fā)明所設(shè)計的充電控制算法在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用，具體來說充電的過程分為以下4步：1.首先，在一個電力傳輸時隙開始時，每一個WD輪流向能量節(jié)點發(fā)送信號1：表示當前電池階段相比于上個時隙有變化，并且能量增加，階段數(shù)加一；0：表示當前電池階段相比于上個時隙有變化，并且能量減少，階段數(shù)減一。如果當前電池階段沒有變化，就不傳輸任何信息。當每一個WD的電池初始狀態(tài)已知時，通過這種簡單的1比特反饋就可以讓所有的EN知道每一個WD當前的剩余電池狀態(tài)；2.然后，每一個EN向分配給自己的頻率子信道上發(fā)送訓(xùn)練序列，每一個WD根據(jù)訓(xùn)練序列來估計所有子信道的增益；3.每一個WD根據(jù)自己的電池電量選擇一定量的子信道進行反饋，只需要反饋子信道的編號，不需要反饋實際的信道增益。具體方法請參照本發(fā)明申請書的第2部分；4.每一個EN根據(jù)接收到的選票對自己子信道上的傳輸功率進行分配，詳細方法請見本發(fā)明申請書的第3部分。各個WD對EN所傳輸?shù)哪芰窟M行接收直至本時隙的結(jié)束，然后返回重復(fù)第1步。在又一實施例中，圖1示意了一個兩個能量節(jié)點(EN)和兩個無線終端(WD)的無線射頻充電網(wǎng)絡(luò)，其原理可以直接拓展到大于兩個EN和WD的應(yīng)用場景。其中，系統(tǒng)總帶寬D被均分N＝D/Ω個帶寬等于系統(tǒng)相關(guān)帶寬Ω的子頻段，并且每個子頻段被均勻的分配給兩個能量節(jié)點(EN)。通過這樣的頻段分配可以保證每一個EN所分配到的子頻段上的信道衰落彼此獨立。每一個能量節(jié)點和無線終端都能夠自由的在能量和信息傳輸之間隨意切換模式。其中能量信號和信息信號分別用綠色和紅色來表示。其中，每一個傳輸時隙被分為三個部分：第一個部分(信道訓(xùn)練)：每一個EN在每一個自己分配到的子頻段上使用通信模塊發(fā)送信道訓(xùn)練序列，而每一個WD使用通信模塊獨立地估計自己的N個子信道增益；第二個部分(信道反饋)：WD1和WD2輪流地使用通信模塊將估計到的N個子信道中部分信道有選擇性地反饋給EN1和EN2，詳細信道反饋方法請參見圖2。第三個部分(無線能量傳輸)：EN1和EN2分別根據(jù)WD的信道反饋，單獨地做出傳輸功率在頻率子信道上分配的決定。兩個EN通過能量發(fā)送電路同時發(fā)送射頻能量，而兩個WD分別使用各自的能量采集電路來接收能量。圖2中示意了本發(fā)明所提出的基于用戶投票的信道反饋機制。仍然依照圖1中兩個EN和兩個WD的系統(tǒng)設(shè)置，假設(shè)每個EN被分配到4個頻率子信道(SC)，系統(tǒng)共N＝8個頻率子信道?！D1估計完8個子信道的信道增益后，選擇最好的4個信道，按照增益的順序?qū)⑿诺谰幪杮3,4,7,1}發(fā)送給兩個EN?！D2估計完8個子信道的信道增益后，選擇最好的4個信道，按照增益的順序?qū)⑿诺谰幪杮4,8,2,6}發(fā)送給兩個EN?！N1接收到來自于W1和W2的投票之后，對分配給自己的{1,3,5,7}子信道得到的選票進行統(tǒng)計?！N2接收到來自于W1和W2的投票之后，對分配給自己的{2,4,6,8}子信道得到的選票進行統(tǒng)計。值得注意的是，該投票反饋機制有以下設(shè)計規(guī)則：·反饋的數(shù)量：剩余能量很少的WD，為了節(jié)約能量，反饋的頻率子信道數(shù)量也少；同時，剩余能量很多的WD，為了避免采集的能量溢出，反饋的頻率子信道數(shù)量也少；只有剩余能量適中的WD才會反饋較多數(shù)量的頻率子信道。選票的權(quán)重：一個用戶的剩余能量越少，其所投票的權(quán)重越大；對于同一個用戶，信道增益較大的信道所對應(yīng)的選票權(quán)重越大。具體而言，每一張選票的權(quán)重可以根據(jù)以下例子中的矩陣來進行計算：w=632702190631100]]>其中，矩陣中每一個元素W(i,j)表示當投票的WD處于第i個能量階段，且該選票所對應(yīng)的子信道排在該WD所選擇的全部信道的第j位時的得票權(quán)重。其中能量級別越低所對應(yīng)的剩余能量也越少。比如以上設(shè)計中的W就將電池的容量分割為4個階段。當某WD處于第一能量階段，即能量馬上要枯竭的時候，它就將發(fā)送兩個頻率子信道反饋給能量節(jié)點，其中排在第一(即最強的子信道)的子信道得票權(quán)重為W(1,1)＝63，而排在第二的子信道得票權(quán)重為W(1,2)＝27。當該WD處于第4能量階段的時候，即剩余能量接近最大容量時，就只發(fā)送一個子信道反饋，其權(quán)重僅僅為1。一般來說，WD只需要反饋很少量的子信道，比如最多反饋30個子信道中的4個。W矩陣是系統(tǒng)所有EN和WD均事先知曉的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，在充電控制的過程中是固定不變的。此外，在不同系統(tǒng)中，W矩陣的具體數(shù)值是可以根據(jù)具體應(yīng)用場景進行調(diào)節(jié)的，如根據(jù)用戶數(shù)的多少，頻率子信道的數(shù)量等。當每一個能量節(jié)點接收到來自用戶的選票的時候，就將對自己分配到的子信道得到的選票進行統(tǒng)計。具體來講，某一個子信道j得到的選票vj為所有投給該子信道的選票的權(quán)重加和，即其中Wk表示分配給第k個WD反饋的子信道的集合，Bk為第k個WD所處在的能量階段，Rj,k表示第j個信道在第k個WD反饋的子信道中的排名，即為第k個WD投給第j個子信道的選票的權(quán)重。當每一個能量節(jié)點統(tǒng)計完分配給自己的頻率子信道所得到的選票，就按照以下的單一子信道功率分配方法對傳輸功率P0進行頻域的分配：即如果該能量節(jié)點的所有子信道都沒有收到選票，傳輸功率將被均勻得分配到所有的N個子信道；除此之外，全部的傳輸功率將被分配到得票最高的子信道。本發(fā)明所提出的完全分布式的充電算法不需要在各個能量節(jié)點間進行協(xié)作傳輸。每一個能量節(jié)點只需要統(tǒng)計自己得到的選票就可以進行功率分配。無線設(shè)備只需要簡單的信道估計能力和數(shù)據(jù)發(fā)射能力。具體而言，每一個無線設(shè)備只需要估計本地子信道強度，并根據(jù)估計投出數(shù)量非常有限的選票，有效的節(jié)約了無線設(shè)備的硬件成本和用于反饋的能量開銷。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁1 2 3