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)絡初始化；步驟二、網(wǎng)絡初始能量采集與信息傳輸；步驟三、網(wǎng)絡時間優(yōu)化分配；步驟四、網(wǎng)絡傳輸階段。以能量消耗最小化為準則，設計一種新的無線供電通信網(wǎng)絡模型，并對該網(wǎng)絡的信息傳輸與能量采集時間分配方案進行優(yōu)化，使得該網(wǎng)絡無線通信節(jié)點可以在能量消耗最小的條件下實施可靠的信息傳輸，有效減少無線通信節(jié)點電能存儲容量需要，合理降低硬件成本，達到提高網(wǎng)絡用戶節(jié)點能量采集效率與能量利用率的目的。
【專利說明】
基于能耗最小化的串行能量采集方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明設及一種無線通信網(wǎng)絡下的信息傳輸與能量采集方法，尤其設及一種基于 能耗最小化的串行能量采集方法，屬于無線供電通信網(wǎng)絡技術(shù)領域。
【背景技術(shù)】
[0002] 能耗效率是下一代無線通信網(wǎng)絡所需面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，隨著運一問題的提出，無 線供電通信網(wǎng)絡受到科學研究人員的廣泛關(guān)注。在運一研究領域中，能量采集技術(shù)主要指 通過收集熱、振動、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 盡可能的利用平時舍棄的微量能源，為傳感器節(jié)點或其它低功率無線通信節(jié)點進行供電。 Varshney Lav R.于2008年在IEEE International Symposium on Information Theory發(fā) 表i侖文《Transporting information and energy simultaneously》表明可臥折中實現(xiàn)無 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》，該文獻給出了最優(yōu)時間分配方案，實現(xiàn)了該無線供電通信網(wǎng)絡 上行鏈路吞吐量最大化。專利申請?zhí)枮?01410804039.9的中國專利申請公開了一種基于 SWIPT下支持多用戶對高速通信的波束形成方法，其特點是根據(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)學模型轉(zhuǎn)化為凸問題，進而完成 基于SWIPT下支持多用戶對高速通信的波束形成，但是并未設及網(wǎng)絡節(jié)點能量采集方式、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，無線通信節(jié)點在多數(shù)應用場 合更適合采取小型化的電能存儲裝置來滿足工作的需要。為此，本發(fā)明W能量消耗最小化 為準則，設計一種新的無線供電通信網(wǎng)絡模型，并對該網(wǎng)絡的信息傳輸與能量采集時間分 配方案進行優(yōu)化，使得該網(wǎng)絡無線通信節(jié)點可W在能量消耗最小的條件下實施可靠的信息 傳輸，有效減少無線通信節(jié)點電能存儲容量需要，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，通過對信息傳 輸與能量采集的時間進行優(yōu)化分配，保證系統(tǒng)所需傳輸信息量，有效降低無線通信節(jié)點能 量消耗，提高能量采集效率，進而達到減小電能存儲容量需求的目的。
[0004] 本發(fā)明的目的通過W下技術(shù)方案予W實現(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)絡初始化：
[0007] 1)隨機部署K+1個無線通信節(jié)點，編號0為該無線供電通信網(wǎng)絡的綜合接入點，具 有可調(diào)發(fā)送功率Po;編號1~K為該無線供電通信網(wǎng)絡的用戶節(jié)點，第k個用戶節(jié)點初始能量 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)綜合接入點發(fā)送下行廣播信息喚醒網(wǎng)絡，獲取網(wǎng)絡無線通信節(jié)點信道狀態(tài)信息 hi, j，其中i，j = 0，1，…，K，i辛j ; hi, j表示第j個無線通信節(jié)點到第i個無線通信節(jié)點間的信 道狀態(tài)信息;獲取第j個用戶節(jié)點到第i個用戶節(jié)點的距離化J和路徑傳輸損耗系數(shù)曰I,J;
[0009] 3)令綜合接入點與所有K個用戶節(jié)點總通信時長為T秒，隨機為0~K個節(jié)點分配初 始工作時間toT，tiT，…，tKT;其中ti為時間分配權(quán)重，i = 0，l，…，K，且toWi+-'+tK=l，令t = [t0tl...tK];
[0010] 步驟二、網(wǎng)絡初始能量采集與信息傳輸：
[0011] 1)計算初始第k個用戶節(jié)點，k = l，…，K，傳輸信息量Ik所需能耗
[0012]
[001引式中，護為噪聲方差；
[0014] 2)其干巧驢1)計貸初始笠 k個巧戶帶占可采隹h行鏈路能量
[0015]
[0016] 化,i(t)表示上行鏈路信息傳輸過程中，第k個用戶節(jié)點從前第i個用戶節(jié)點采集到 的能量，i = l,…，k-l;
[0017] 3)計算初始第k個用戶節(jié)點所需下行鏈路能量采集
[nni只1

[0019] 4)綜合接入點在時間toT內(nèi)W功率Po發(fā)送下行鏈路信號XO:
[0020]
[0021]
[0022] 式中，{Ek,o(t)}表示不同分配時間t對應的Ek,o(t)，k=l，…，K所構(gòu)成的集合； mp ?[與;(嗦表示選取所有K個節(jié)點中的最大Ek, 0(t);
[0023] 各用戶節(jié)點在時間toT內(nèi)接收綜合接入點發(fā)送的下行鏈路信號X0,采集并存儲此信 號能量，第k個用戶節(jié)點接收信號為yk = hk,QX()+zk;其中，hk,Q為綜合接入點到第k個用戶節(jié)點 的信道狀態(tài)信息，Zk為加性高斯白噪聲，且假定各節(jié)點所接收噪聲信號功率可忽略；
[0024] 5)初始上行鏈路能量采集與信息傳輸
[0025] 第k個用戶節(jié)點在時間T內(nèi)實施能量采集并存儲，在時間tkT內(nèi)按照時分多址方 式發(fā)送自身上行鏈路信息Xk,即第k個用戶節(jié)點在前k-1個用戶發(fā)送上行鏈路信號時刻進行 能量采集，隨后在完成發(fā)送自身上行鏈路信息后立即進入休眠模式；
[00%]步驟=、網(wǎng)絡時間優(yōu)化分配：
[0027] 1) W最小能耗為準則，基于所需傳輸?shù)男畔⒘縄k計算第k個用戶節(jié)點，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間t所對應的集合中的 最大Ek(t)，k=l，…，K值；
表示計算Ek,o(t)過程中的應滿足的采集時間約 束條件，且 [0。。11
[0032] 2)計算網(wǎng)絡各用戶節(jié)點所需最小下行鏈路能量采集的巧
保存對 應節(jié)點分配時間t為優(yōu)化后的時間分配值；
[0033] 步驟四、網(wǎng)絡傳輸階段
[0034] 在同一衰落信道塊中，按照各節(jié)點優(yōu)化后的時間分配值t，采用時分多址傳輸方式 進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，則對網(wǎng)絡 各節(jié)點分配時間重新進行優(yōu)化，重復執(zhí)行步驟否則，仍按當前各節(jié)點優(yōu)化后的時間分配 值，采用時分多址傳輸方式進行信息傳輸與能量采集。
[0035] 本發(fā)明的目的可W通過W下技術(shù)措施進一步實現(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間tkT內(nèi)按照時 分多址方式發(fā)送自身上行鏈路信息Xk化=1，…，K)，即在時間tiT內(nèi)，用戶節(jié)點IW功率Pi向 綜合接入點0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時用戶節(jié)點2,…，K實施能量采集與存儲;在時間 t2T內(nèi)，用戶節(jié)點2W功率P2向綜合接入點0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時用戶節(jié)點3,…，K實 施能量采集與存儲；W此類推，在時間tkT內(nèi)，用戶節(jié)點kW功率Pk向綜合接入點0發(fā)送上行鏈 路信息，與此同時用戶節(jié)點k+1，…，K實施能量采集與存儲。
[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)絡時間優(yōu)化分配階段， 基于啟發(fā)式優(yōu)化算法中的標準粒子群優(yōu)化方法對各節(jié)點分配時間進行求解：
[0039] (1)映射K+1個節(jié)點到n個粒子；
[0040] (2)初始化粒子速度Vk為一組隨機數(shù)，初始化適應度函數(shù)值Ek,o(t)=0,初始化各 節(jié)點時間分配值為一組隨機數(shù)，其和為T，并將此時間分配值映射到粒子初始位置yk(t);
[0041] (3)計算所需能耗與可采集的上行鏈路能量：
[0042] a.計算第k個用戶節(jié)點化=1，…，K)傳輸Ik初始所需能耗
[0043]
[0044] b.計算初始第k個用戶節(jié)點化=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程中，第k個用戶節(jié)點從前第i個用戶節(jié)點采集到 的能量，i = l,…，k-l;
[0047] (4)計算適應度函數(shù)
[004引
[0049] W最小能耗為準則，基于所需傳輸?shù)男畔⒘縄k捜索第k個用戶節(jié)點化=1，…，K)所 需最小
[0050] 下行鏈路能量采集
[0053]計算網(wǎng)絡當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] 保存對應節(jié)點分配時間t為優(yōu)化后的時間分配值；
[0056] (5)更新粒子群
[0057] a.若當前粒子個體極值優(yōu)于上一時刻該粒子個體極值，則更新當前粒子個體極 值；
[005引 b.若當前粒子個體極值優(yōu)于上一時刻全局極值，貝更新當前全局極值；
[0059] C.更新每個粒子的速度Vk和位置yk(t);
[0060] (6)重復執(zhí)行步驟(3)-(5)直到達到最大迭代次數(shù)；
[0061] (7)當達到最大迭代次數(shù)時，映射全局最優(yōu)粒子位置為最優(yōu)網(wǎng)絡節(jié)點時間分配值 t，對應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，當用戶節(jié)點具備兩條射頻鏈路時，在 下行鏈路通信中于不同射頻鏈路同時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)點間信息傳輸與能量采 集的時間分配方案，在能量消耗最小的條件下實施可靠的信息傳輸，達到提高網(wǎng)絡用戶節(jié) 點能量采集效率與能量利用率的目的。
【附圖說明】
[0064] 圖1是本發(fā)明無線供電與通信網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0065] 圖2是本發(fā)明的通信協(xié)議時序圖；
[0066] 圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)工作與時間優(yōu)化分配流程圖；
[0067] 圖4是本發(fā)明的K = 3時隙優(yōu)化收斂曲線。
【具體實施方式】
[0068] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
[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實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)信息 與能量的同時傳輸，保證所需信息量傳輸要求下，合理分配節(jié)點工作時間，盡可能小的采集 能量，適用于具有任意個節(jié)點的無線通信網(wǎng)絡。如圖1所示，在區(qū)域內(nèi)無線通信網(wǎng)絡包括1個 綜合接入點(節(jié)點0)和若干個用戶節(jié)點(節(jié)點I~K);綜合接入點O的功能是在其下行鏈路通 信時間toT內(nèi)發(fā)送能量。在上行鏈路通信時間tiT,…，ti(T內(nèi)接收數(shù)據(jù)信息。用戶節(jié)點k化= 1，…，K)的功能是在下行鏈路通信時間toT內(nèi)完成對綜合接入點0發(fā)送信號能量的采集，在 上行鏈路通信時間tiT，…，tk-iT內(nèi)完成對前k-1個用戶節(jié)點上行鏈路信號的能量采集，并將 自身數(shù)據(jù)信息在上行鏈路通信時間tkT內(nèi)傳輸至綜合接入點0,隨后立即進入休眠模式。本 實施例假定各用戶節(jié)點僅具有單一射頻鏈路，即在下行鏈路通信中綜合接入點0僅進行能 量傳輸。但當用戶節(jié)點具備兩條射頻鏈路時，也可在下行鏈路通信中于不同射頻鏈路同時 完成信息傳輸和能量采集的功能。
[0070]本發(fā)明設計了一種新型的所需能耗最小化準則的信息傳輸與能量采集方法。在無 線網(wǎng)絡各節(jié)點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)絡節(jié)點工作時 間，減小能量采集與儲存需求，改善無線網(wǎng)絡傳輸效率與能量利用率，如圖3所示是本發(fā)明 的系統(tǒng)工作與時間優(yōu)化分配流程圖，【具體實施方式】如下：
[0071 ] 1.網(wǎng)絡初始化階段，如圖1所示，
[0072] 1)隨機部署K+1個無線通信節(jié)點，編號0為該無線供電通信網(wǎng)絡的綜合接入點，編 號1~K為該無線供電通信網(wǎng)絡的用戶節(jié)點;綜合接入點0部署在網(wǎng)絡四周的某一處，具有可 調(diào)發(fā)送功率Po,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息接收;各用戶節(jié)點均可直接與綜合接入點0實現(xiàn)通信，具有 能量采集、數(shù)據(jù)處理和發(fā)送的功能。第k個用戶節(jié)點初始能量化為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0發(fā)送下行廣播信息喚醒網(wǎng)絡，獲取網(wǎng)絡無線通信節(jié)點信道狀態(tài)信 息hi, j (i，j = 0，1，…，K，i j)，hi, j表示第j個無線通信節(jié)點到第i個無線通信節(jié)點間的信道 狀態(tài)信息;獲取第j個用戶節(jié)點到第i個用戶節(jié)點的距離化J和路徑傳輸損耗系數(shù)CU,J。
[0074] 3)令綜合接入點0與所有K個用戶節(jié)點總通信時長為T秒，隨機為0~K個節(jié)點分配 初始工作時間toT，tiT，…，tKT。其中，ti為時間分配權(quán)重（i = 0，l，…，K)，且to+t^''WK= 1， 令 t=[t0tl...tK]。
[0075] 2.網(wǎng)絡初始能量采集與信息傳輸
[0076] 1)計算初始第k個用戶節(jié)點化=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)計算初始第k個用戶節(jié)點化=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程中，第k個用戶節(jié)點從前第ia = l，…，k-1)個 用戶節(jié)點采集到的能量。
[0082] 3)計算初始第k個用戶節(jié)點化=1，…，K)所需下行鏈路能量采集
[0084] 4)綜合接入點0在時間toT內(nèi)W功率Po發(fā)送下行鏈路信號xo。
[0085]
[0086] Po = EoAtoT)
[0087] 式中，化表示不同分配時間t對應的Ek,o(t)，k=l，…，K所構(gòu)成的集合；
表示選取所有K個節(jié)點中的最大化,0 (t)
[0088] 各用戶節(jié)點在時間toT內(nèi)接收綜合接入點0發(fā)送的下行鏈路信號X0,采集并存儲此 信號能量(本實施例假定各用戶節(jié)點僅具有單一射頻鏈路，即在下行鏈路通信中僅進行能 量采集。但當用戶節(jié)點具備兩條射頻鏈路時，也可在下行鏈路通信中于不同射頻鏈路同時 完成信息傳輸和能量采集的功能）。第k個用戶節(jié)點接收信號為yk = hk,oxo+zk化=1，…，K)。 其中，hk,o為綜合接入點0到第k個用戶節(jié)點的信道狀態(tài)信息，Zk為加性高斯白噪聲，且假定 各節(jié)點所接收噪聲信號功率可忽略。
[0089] 5)初始上行鏈路能量采集與信息傳輸
[0090] 第k個用戶節(jié)點在時間^壞內(nèi)實施能量采集并存儲，在時間tkT內(nèi)按照時分多址方 式發(fā)送自身上行鏈路信息Xk化=1，???，K)。即，在時間tiT內(nèi)，用戶節(jié)點IW功率Pi向綜合接入 點0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時用戶節(jié)點2,…，K實施能量采集與存儲;在時間t2T內(nèi)，用戶 節(jié)點2W功率P2向綜合接入點0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時用戶節(jié)點3,…，K實施能量采集 與存儲；W此類推，在時間tkT內(nèi)，用戶節(jié)點kW功率Pk向綜合接入點0發(fā)送上行鏈路信息，與 此同時用戶節(jié)點k+1，…，K實施能量采集與存儲，如圖2所示。
[0091] 3.網(wǎng)絡時間優(yōu)化分配。
[0092] (1)映射K+1個節(jié)點到n個粒子。
[0093] (2)初始化粒子速度Vk為一組隨機數(shù)，初始化適應度函數(shù)值化,0 (t )= 0，初始化各 節(jié)點時間分配值為一組隨機數(shù)(其和為T)，并將此時間分配值映射到粒子初始位置yk(t)。
[0094] (3)計算所需能耗與可采集的上行鏈路能量
[00M] a.計算第k個用戶節(jié)點化=1，…，K)傳輸Ik初始所需能耗
[0096]
[0097] b.計算初始第k個用戶節(jié)點化=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程中，第k個用戶節(jié)點從前第ia = l，…，k-1)個 用戶節(jié)點采集到的能量。
[0100] (4)計算適應度函數(shù) [01011
[0102] W最小能耗為準則，基于所需傳輸信息量Ik捜索第k個用戶節(jié)點化=1，…，K)所需 最小下行鏈路能量采集
[0105] 計算網(wǎng)絡當前所需最小下行鏈路能量采集的和
[0103]
[0104]
[0106]
[0107] 保存對應節(jié)點分配時間t為優(yōu)化后的時間分配值。
[0108] (5)更新粒子群
[0109] a.若當前粒子個體極值優(yōu)于上一時刻該粒子個體極值，則更新當前粒子個體極 值。
[0110] b.若當前粒子個體極值優(yōu)于上一時刻全局極值，則更新當前全局極值。
[011。 C.更新每個粒子的速度Vk和位置yk(t)
[0112] (6)重復執(zhí)行步驟(3)-(5)直到達到最大迭代次數(shù)。
[0113] (7)當達到最大迭代次數(shù)時，映射全局最優(yōu)粒子位置為最優(yōu)網(wǎng)絡節(jié)點時間分配值t (如圖4所示），對應E(t)為所需最小下行鏈路能量采集的最小值。
[0114] 4.網(wǎng)絡傳輸階段
[0115] 在同一衰落信道塊中，按照各節(jié)點優(yōu)化后的時間分配值t，采用時分多址傳輸方式 進行信息傳輸與能量采集。即，在時間toT內(nèi)，綜合接入點OW功率Po持續(xù)發(fā)送下行鏈路信號 X0,同時各用戶節(jié)點持續(xù)接收下行鏈路信號X0,采集并存儲此信號能量;在時間tiT內(nèi)，用戶 節(jié)點IW功率Pi向綜合接入點0發(fā)送上行鏈路信息，同時用戶節(jié)點2,…，K實施能量采集與存 儲；在時間t2T內(nèi)，用戶節(jié)點2 W功率P2向綜合接入點0發(fā)送上行鏈路信息，同時用戶節(jié)點 3,…，K實施能量采集與存儲；W此類推，在時間tkT內(nèi)，當用戶節(jié)點kW功率Pk向綜合接入點0 發(fā)送上行鏈路信息，同時用戶節(jié)點k+1，…，K實施能量采集與存儲，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，則對網(wǎng)絡各節(jié)點分配時間 重新進行優(yōu)化，重復執(zhí)行步驟3。否則，仍按當前各節(jié)點優(yōu)化后的時間分配值，采用時分多址 傳輸方式進行信息傳輸與能量采集。
[0117] 如圖4所示是本發(fā)明的K = 3時隙優(yōu)化收斂曲線。
[0118] 除上述實施例外，本發(fā)明還可W有其他實施方式，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)明要求的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
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)絡初始化： 1) 隨機部署K+1個無線通信節(jié)點，編號0為該無線供電通信網(wǎng)絡的綜合接入點，具有可 調(diào)發(fā)送功率Po;編號1~K為該無線供電通信網(wǎng)絡的用戶節(jié)點，第k個用戶節(jié)點初始能量化為0 焦耳，所需傳輸?shù)男畔⒘繛镮k,能量轉(zhuǎn)化效率為Ck; 2) 綜合接入點發(fā)送下行廣播信息喚醒網(wǎng)絡，獲取網(wǎng)絡無線通信節(jié)點信道狀態(tài)信息hi,J， 其中i，j=0，l，…，K，i辛表示第j個無線通信節(jié)點到第i個無線通信節(jié)點間的信道狀 態(tài)信息;獲取第j個用戶節(jié)點到第i個用戶節(jié)點的距離化J和路徑傳輸損耗系數(shù)曰1,J; 3) 令綜合接入點與所有K個用戶節(jié)點總通信時長為T秒，隨機為0~K個節(jié)點分配初始工 作時間toT，tiT，…，tKT;其中ti為時間分配權(quán)重，i = 0，l，…，K，且toWi+-'+tK=l，令t = [to tl...tK]; 步驟二、網(wǎng)絡初始能量采集與信息傳輸： 1) 計算初始第k個用戶節(jié)點，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)計算初始第k個用戶節(jié)點可采集上行鏈路能量化,i(t)表示上行鏈路信息傳輸過程中，第k個用戶節(jié)點從前第i個用戶節(jié)點采集到的能 量，i = l，...，k-l; 3) 計算初始第k個用戶節(jié)點所需下行鏈路能量采集4) 綜合接入點在時間toT內(nèi)W功率Po發(fā)送下行鏈路信號X0:P〇 = E〇/(t〇T) 式中，化k, 0 (t)}表示不同分配時間t對應的Ek, 0 (t)，k = 1，…，K所構(gòu)成的集合； 表示選取所有K個節(jié)點中的最大Ek,o(t); 各用戶節(jié)點在時間toT內(nèi)接收綜合接入點發(fā)送的下行鏈路信號X0,采集并存儲此信號能 量，第k個用戶節(jié)點接收信號為yk = hk,QX()+zk;其中，hk,Q為綜合接入點到第k個用戶節(jié)點的信 道狀態(tài)信息，Zk為加性高斯白噪聲，且假定各節(jié)點所接收噪聲信號功率可忽略； 5) 初始上行鏈路能量采集與信息傳輸 第k個用戶節(jié)點在時間內(nèi)實施能量采集并存儲，在時間tkT內(nèi)按照時分多址方式發(fā) 送自身上行鏈路信息xk，即第k個用戶節(jié)點在前k-1個用戶發(fā)送上行鏈路信號時刻進行能量 采集，隨后在完成發(fā)送自身上行鏈路信息后立即進入休眠模式； 步驟Ξ、網(wǎng)絡時間優(yōu)化分配： 1. W最小能耗為準則，基于所需傳輸?shù)男畔⒘縄k計算第k個用戶節(jié)點，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間t所對應的集合中的最大 Ek(t)，k = 1，…，K值％ > 0表示計算Ek, 0 (t)過程中的應滿足的采集時間約束條 件，且2) 計算網(wǎng)絡各用戶節(jié)點所需最小下行鏈路能量采集的和，保存對應節(jié) 點分配時間t為優(yōu)化后的時間分配值； 步驟四、網(wǎng)絡傳輸階段 在同一衰落信道塊中，按照各節(jié)點優(yōu)化后的時間分配值t，采用時分多址傳輸方式進行 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，則對網(wǎng)絡各節(jié) 點分配時間重新進行優(yōu)化，重復執(zhí)行步驟Ξ;否則，仍按當前各節(jié)點優(yōu)化后的時間分配值， 采用時分多址傳輸方式進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 在時間tkT內(nèi)按照時分多址方式發(fā)送自身上行鏈路信息xk化=1，…，K)，即在時間tiT內(nèi)，用 戶節(jié)點功率Pi向綜合接入點0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時用戶節(jié)點2,…，K實施能量采 集與存儲;在時間t2T內(nèi)，用戶節(jié)點2W功率P2向綜合接入點0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時用 戶節(jié)點3,…，K實施能量采集與存儲；W此類推，在時間tkT內(nèi)，用戶節(jié)點kW功率Pk向綜合接 入點0發(fā)送上行鏈路信息，與此同時用戶節(jié)點k+1，…，K實施能量采集與存儲。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 時間優(yōu)化分配階段，基于啟發(fā)式優(yōu)化算法中的標準粒子群優(yōu)化方法對各節(jié)點分配時間進行 求解： (1) 映射K+1個節(jié)點到η個粒子； (2) 初始化粒子速度vk為一組隨機數(shù)，初始化適應度函數(shù)值Ek, 〇( t) = 0，初始化各節(jié)點時 間分配值為一組隨機數(shù)，其和為T，并將此時間分配值映射到粒子初始位置yk(t); (3) 計算所需能耗與可采集的上行鏈路能量： a.計算第k個用戶節(jié)點化=1，···，Κ)傳輸Ik初始所需能耗b.計算初始第k個用戶節(jié)點化=1，…，Κ)上行鏈路能量采集化,i(t)表示上行鏈路信息傳輸過程中，第k個用戶節(jié)點從前第i個用戶節(jié)點采集到的能 量，i = l，...，k-l; (4) 計算適應度函數(shù)W最小能耗為準則，基于所需傳輸?shù)男畔⒘縄k捜索第k個用戶節(jié)點化=1，…，K)所需最 小下行鏈路能量采集計算網(wǎng)絡當前所需最小下行鏈路能量采集的和保存對應節(jié)點分配時間t為優(yōu)化后的時間分配值； (5) 更新粒子群 a. 若當前粒子個體極值優(yōu)于上一時刻該粒子個體極值，貝更新當前粒子個體極值； b. 若當前粒子個體極值優(yōu)于上一時刻全局極值，貝更新當前全局極值； C.更新每個粒子的速度vk和位置yk(t); (6) 重復執(zhí)行步驟(3)-巧)直到達到最大迭代次數(shù)； (7) 當達到最大迭代次數(shù)時，映射全局最優(yōu)粒子位置為最優(yōu)網(wǎng)絡節(jié)點時間分配值t，對 應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，當用戶節(jié)點具 備兩條射頻鏈路時，在下行鏈路通信中于不同射頻鏈路同時完成信息傳輸和能量采集。
【文檔編號】H04W52/24GK105848267SQ201610322539
【公開日】2016年8月10日
【申請日】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
【申請人】江蘇科技大學