基于能耗最小化的串行能量采集方法

摘要

本发明公开了一种基于能耗最小化的串行能量采集方法，包括步骤一、网络初始化；步骤二、网络初始能量采集与信息传输；步骤三、网络时间优化分配；步骤四、网络传输阶段。以能量消耗最小化为准则，设计一种新的无线供电通信网络模型，并对该网络的信息传输与能量采集时间分配方案进行优化，使得该网络无线通信节点可以在能量消耗最小的条件下实施可靠的信息传输，有效减少无线通信节点电能存储容量需要，合理降低硬件成本，达到提高网络用户节点能量采集效率与能量利用率的目的。

主权项

一种基于能耗最小化的串行能量采集方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、网络初始化：1)随机部署K+1个无线通信节点,编号0为该无线供电通信网络的综合接入点，具有可调发送功率P₀；编号1～K为该无线供电通信网络的用户节点，第k个用户节点初始能量E_k为0焦耳，所需传输的信息量为I_k，能量转化效率为ζ_k；2)综合接入点发送下行广播信息唤醒网络，获取网络无线通信节点信道状态信息h_i,j，其中i,j＝0,1,…,K,i≠j；h_i,j表示第j个无线通信节点到第i个无线通信节点间的信道状态信息；获取第j个用户节点到第i个用户节点的距离D_i,j和路径传输损耗系数α_i,j；3)令综合接入点与所有K个用户节点总通信时长为T秒，随机为0～K个节点分配初始工作时间t₀T,t₁T,…,t_KT；其中t_i为时间分配权重，i＝0,1,…,K，且t₀+t₁+…+t_K＝1，令t＝[t₀ t₁…t_K]；步骤二、网络初始能量采集与信息传输：1)计算初始第k个用户节点，k＝1,…,K，传输信息量I_k所需能耗$E_k\left(t\right)=\frac{2^{I_k/t_{k}T}-1}{{\left|h_{0,k}\right|}^2}{\delta }^2{t}_{k}T$式中，δ²为噪声方差；2)基于步骤1)计算初始第k个用户节点可采集上行链路能量$\underset{i=1}{\overset{k-1}{\Sigma }}{E}_{k,i}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{k-1}{\Sigma }}\left[{\delta }^2{D}_{k,i}^{-{\alpha }_{k,i}}({\left|h_{k,i}\right|}^2/{\left|h_{0,i}\right|}^2)(2^{I_i/t_{i}T}-1)t_{i}T\right]$E_k,i(t)表示上行链路信息传输过程中，第k个用户节点从前第i个用户节点采集到的能量，i＝1,…,k‑1；3)计算初始第k个用户节点所需下行链路能量采集4)综合接入点在时间t₀T内以功率P₀发送下行链路信号x₀：$E_0=\underset{k}{max}\left\{E_{k,0}\left(t\right)\right\},(k=1,...,K)$P₀＝E₀/(t₀T)式中，{E_k,0(t)}表示不同分配时间t对应的E_k,0(t),k＝1,…,K所构成的集合；表示选取所有K个节点中的最大E_k,0(t)；各用户节点在时间t₀T内接收综合接入点发送的下行链路信号x₀，采集并存储此信号能量，第k个用户节点接收信号为y_k＝h_k,0x₀+z_k；其中，h_k,0为综合接入点到第k个用户节点的信道状态信息，z_k为加性高斯白噪声，且假定各节点所接收噪声信号功率可忽略；5)初始上行链路能量采集与信息传输第k个用户节点在时间内实施能量采集并存储，在时间t_kT内按照时分多址方式发送自身上行链路信息x_k，即第k个用户节点在前k‑1个用户发送上行链路信号时刻进行能量采集，随后在完成发送自身上行链路信息后立即进入休眠模式；步骤三、网络时间优化分配：1)以最小能耗为准则，基于所需传输的信息量I_k计算第k个用户节点，所需最小下行链路能量采集，其中k＝1,…,K：$\underset{t}{min}\left\{max\right\{E_{k,0}\left(t\right)\left\}\right\},k=1,...,K$$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{k=0}{\overset{K}{\Sigma }}{t}_k=1,t_k\ge 0\end{array}$式中，表示最小化不同分配时间t所对应的集合中的最大E_k(t),k＝1,…,K值；表示计算E_k,0(t)过程中的应满足的采集时间约束条件，且2)计算网络各用户节点所需最小下行链路能量采集的和保存对应节点分配时间t为优化后的时间分配值；步骤四、网络传输阶段在同一衰落信道块中，按照各节点优化后的时间分配值t，采用时分多址传输方式进行信息传输与能量采集，在下一信道衰落信道块中，若信道状态信息发生改变，则对网络各节点分配时间重新进行优化，重复执行步骤三；否则，仍按当前各节点优化后的时间分配值，采用时分多址传输方式进行信息传输与能量采集。