本发明涉及无线充电领域，特别涉及一种多节点分布式射频无线充电方法。
背景技术：
：现代无线传感器技术是将信息自动化控制技术与现实世界相互连接的桥梁。例如RFID、物联网和环境传感等无线传感器技术已经广泛地应用于物流和仓库管理、工业控制、环境和建筑物监测、医疗监护和智能家居等领域，是实现工业自动化和城市管理智能化的关键技术。通常无线传感器由电池供电，然而无线传感器往往由于尺寸的限制，自身携带的电池容量非常有限，不能够持续的支持器件的平稳运行，从而需要频繁的手动更换电池，或者间歇性的连接电源充电来维持正常的运行。显然，传感器间歇性的供电中断会造成高概率的监控中断，影响应用服务的稳定性；同时，频繁的手动更换电池会对一些大型的传感器网络造成很高的运营开支，比如拥有几千个传感器的物联网；此外，在一些特殊的应用场所，更换电池会带来极大的不便，比如植入人体的医疗电子传感器和植入建筑混凝土结构中的传感器等。另外一种常用的供电方式为环境能量采集，即无线传感器通过太阳能板、压控能量转换器和射频能量接收天线等器件采集期间周围环境中包括太阳能、风能、动能和射频信号等的能量，并将能量保存在可充电电池中用于之后的使用。这些能量源由于并不是专用于给无线传感器供电，可采集能量的机会往往是间断性的，采集到能量的多少也是时变而不可控的。因此，基于能量采集的无线传感器的性能在急需能量供应时无法得到有效的保障。相比于电池和环境能量采集供电技术，无线射频电力传输技术利用射频信号的传播特性，能够在对最大距离10米外的无线设备进行有效的充电。在原理上，能量发射节点通过专用射频天线将能量信号发送至中远距离的无线设备，而无线设备通过专用的能量接收天线以及能量采集电路，将接收到的射频信号转换为直流信号来为器件供电，或者将能量储存在电池中。现在市场上已经存在一些商业化的无线充电设备，包括Powercast公司的无线能量收发器和英特尔公司的无线供电RFID套装等。相比于电池和环境能量采集供电技术，无线射频电力传输技术不会中断器件的正常运行，能够持续的为器件供电。更重要的是，传输能量信号的大小、波形、时间和频率等参数均为可以调节的参数。因此，可以通过优化传输信号来提高能量传输的效率。现有射频无线充电技术的一个主要缺陷是其较低的能量传输效率。1个1瓦的能量传输节点发送射频信号到10米处的无线设备处的接收功率约为几十微瓦，该功率可能无法满足未来高性能无线传感器的能耗需求。虽然业界陆续提出了一些物理层技术来提高传输效率，比如使用多天线系统和更高效的能量采集电路，由于射频信号很快的能量衰落速率，整体而言对单个节点能量传输的性能提高十分有限。在面对较大规模的无线网络中的供电问题时，采用多个能量节点来协同传输能量尤为必要。当前的无线电力传输控制技术主要是针对点对点的电力传输应用，如使用多天线技术来提高单一无线设备接收到的能量。当使用多个能量节点来进行联合传输时，点对点的传输控制没有充分挖掘射频信号的广播特性，忽略了多个能量节点能量在一个无线设备上的叠加效应，因此造成了很大的传输能量浪费。同时，由于无线终端在位置和设备性能上的差异，忽略网络整体布局的点对点传输控制方法往往会造成严重的用户不公平，导致一部分用户可能接收到的能量过剩，而另外一些用户却严重的能量不足，进而造成很短的器件运行寿命，缩短整体网络的正常工作时间，降低了网络的稳定性。现有的一些无线充电控制方案提出了基于无线信道状况的传输端实时资源分配，比如使用能量波束成型和频域功率分配等方法来提高能量效率和用户公平性。然而在实际的多个能量节点和多个无线终端的网络中，基于信道的无线资源分配往往会造成巨大的系统资源开销用于向能量节点传递无线信道的状况，从而直接降低无线能量传输的效率，甚至会导致能量开销大于性能提升的情况，反而造成总体的网络性能下降。综上所述，现有无线充电控制技术应用于多能量传输节点和多终端用户的无线系统中时有以下技术缺陷：·较低的能量传输效率；·多能量节点传输时的能量浪费；·用户能量接收的不公平；实现传输端实时资源分配时会造成巨大的系统资源开销。技术实现要素：为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种多节点分布式射频无线充电方法，解决现有技术中多能量节点传输时的能量浪费的问题。本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：设计和制造一种多节点分布式射频无线充电方法，包括如下步骤：(A)在每一个电力传输时隙开始时，每一个无线终端WD轮流向能量节点EN发送信号，用于让EN知晓各个WD的当前电池阶段状态；(B)每一个能量节点EN向分配给自己的频率子信道上发送训练序列，每一个无线终端WD根据训练序列来估计所有子信道的增益；(C)每一个无线终端WD根据自己的电池电量选择一定量的子信道进行反馈；(D)每一个能量节点EN根据接收到的选票对自己子信道上的传输功率进行分配。作为本发明的进一步改进：所述步骤(A)中，将每一个无线终端WD的电池状态发送至能量节点EN，电池状态分为不同的阶段并对每个阶段分别进行标示，能量节点EN知晓无线终端WD的初始电池阶段状态。作为本发明的进一步改进：所述步骤(A)中，相邻的两个电力传输时隙，同一个无线终端WD会产生前后两个电池状态，当前一个电池状态和后一个电池状态不同时将发送信号至对应的能量节点EN，当前一个电池状态和后一个电池状态相同时则不发送信号至对应的能量节点EN，经过该反馈机制，能量节点EN可以知晓所有无线终端WD的当前电池阶段状态。作为本发明的进一步改进：每一个电力传输时隙分为信道训练、信道反馈以及无线能量传输三个部分；所述信道训练为每一个能量节点EN在每一个自己分配到的子频段上使用通信模块发送信道训练序列，而每一个无线终端WD使用通信模块独立地估计自己的有限个子信道增益；所述信道反馈为不同的无线终端轮流地使用通信模块将估计到的有限个子信道中部分信道有选择性地反馈给对应的能量节点；所述无线能量传输为不同的能量节点分别根据对应的无线终端的信道反馈，单独地做出传输功率在频率子信道上分配的决定。作为本发明的进一步改进：进行反馈时采用基于用户投票的信道反馈机制；不同的无线终端估计完对应的子信道的信道增益后，选择适合的信道并按照增益的顺序将信道编号同时发送给不同的能量节点EN；每一个能量节点EN接收到不同的无线终端的投票后，对分配给自己的子信道得到的选票进行统计。作为本发明的进一步改进：对选票进行统计之前，选票的权重按W矩阵进行计算；矩阵中每一个元素W(i,j)表示当投票的无线终端WD处于第i个电池能量阶段，且该选票所对应的子信道排在该无线终端WD所选择的全部信道的第j位时的得票权重，其中能量级别越低所对应的剩余能量也越少；W矩阵是系统所有能量节点EN和无线终端WD均事先知晓的网络参数，在充电控制的过程中是固定不变的。作为本发明的进一步改进：当每一个能量节点接收到来自用户的选票的时候，就将对自己分配到的子信道得到的选票进行统计，选票的和为所有投给该子信道的选票的权重加和，其公式为：其中，Wk表示分配给第k个WD反馈的子信道的集合，Bk为第k个WD所处在的能量阶段，Rj,k表示第j个信道在第k个WD反馈的子信道中的排名，即为第k个WD投给第j个子信道的选票的权重。作为本发明的进一步改进：所述步骤(D)中，当每一个能量节点统计完分配给自己的频率子信道所得到的选票，就按照以下的单一子信道功率分配方法对传输功率P0进行频域的分配：如果该能量节点的所有子信道都没有收到选票，传输功率将被均匀得分配到所有的子信道；除此之外，全部的传输功率将被分配到得票最高的子信道。作为本发明的进一步改进：所述步骤(C)中，反馈按以下方式来进行：当剩余能量很少的无线终端WD时，反馈的频率子信道数量也少；当剩余能量很多的无线终端WD时，反馈的频率子信道数量也少；当剩余能量适中的无线终端WD时，反馈较多数量的频率子信道。本发明的有益效果是：通过联合考虑无线器件的电池电量和无线信道状况，本发明能够有效的对能量节点的传输功率进行频域分配，实现传输效率和用户公平性的均衡。经验证，相比于简单无控制的无线充电技术，本发明能够平均延长无线传感器网络超过40％的运行寿命；消除了能量节点协同传输时信令等系统资源的开销，实现起来简明高效；每一个无线设备只需要估计本地子信道强度，并根据估计投出数量非常有限的选票，有效的节约了无线设备的硬件成本和用于反馈的能量开销。附图说明图1是本发明模型示意图；图2是本发明中信道反馈示意图；图3是本发明充电控制示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明。一种多节点分布式射频无线充电方法，包括如下步骤：(A)在每一个电力传输时隙开始时，每一个无线终端WD轮流向能量节点EN发送信号，用于让EN知晓各个WD的当前电池阶段状态；(B)每一个能量节点EN向分配给自己的频率子信道上发送训练序列，每一个无线终端WD根据训练序列来估计所有子信道的增益；(C)每一个无线终端WD根据自己的电池电量选择一定量的子信道进行反馈；(D)每一个能量节点EN根据接收到的选票对自己子信道上的传输功率进行分配。所述步骤(A)中，将每一个无线终端WD的电池状态发送至能量节点EN，电池状态分为不同的阶段并对每个阶段分别进行标示，能量节点EN知晓无线终端WD的初始电池阶段状态。所述步骤(A)中，相邻的两个电力传输时隙，同一个无线终端WD会产生前后两个电池状态，当前一个电池状态和后一个电池状态不同时将发送信号至对应的能量节点EN，当前一个电池状态和后一个电池状态相同时则不发送信号至对应的能量节点EN。经过该反馈机制，能量节点EN可以知晓所有无线终端WD的当前电池阶段状态。在一实施例中，步骤(A)中，电池被分为少数几个电池阶段(比如5个阶段)，假设所有的EN知道WD的初始电池阶段。此后，在每一次无线电力传输时隙的开始阶段，每一个WD广播自己相比于之前一个时隙电池阶段的改变(变高发送1，变低发送0，如果没有变化就不发送)，因此EN可以知晓所有的EN的当前电池阶段，从而对此后WD发送的选票进行加权统计。发送的信号是WD当前的电池状态，只有当前电池阶段发生改变时才会发送：如果电池阶段下降，则发送0；如果上升，发送1；否则不发送。在适当的地方注明电池阶段的定义，即将电池电量分为少量的几个阶段，同时，EN知道各个WD的初始电池状态。每一个电力传输时隙分为信道训练、信道反馈以及无线能量传输三个部分；所述信道训练为每一个能量节点EN在每一个自己分配到的子频段上使用通信模块发送信道训练序列，而每一个无线终端WD使用通信模块独立地估计自己的有限个子信道增益；所述信道反馈为不同的无线终端轮流地使用通信模块将估计到的有限个子信道中部分信道有选择性地反馈给对应的能量节点；所述无线能量传输为不同的能量节点分别根据对应的无线终端的信道反馈，单独地做出传输功率在频率子信道上分配的决定。进行反馈时采用基于用户投票的信道反馈机制；不同的无线终端估计完对应的子信道的信道增益后，选择适合的信道并按照增益的顺序将信道编号同时发送给不同的能量节点EN；每一个能量节点EN接收到不同的无线终端的投票后，对分配给自己的子信道得到的选票进行统计。对选票进行统计之前，选票的权重按W矩阵进行计算；矩阵中每一个元素W(i,j)表示当投票的无线终端WD处于第i个电池能量阶段，且该选票所对应的子信道排在该无线终端WD所选择的全部信道的第j位时的得票权重，其中能量级别越低所对应的剩余能量也越少；W矩阵是系统所有能量节点EN和无线终端WD均事先知晓的网络参数，在充电控制的过程中是固定不变的。当每一个能量节点接收到来自用户的选票的时候，就将对自己分配到的子信道得到的选票进行统计，选票的和为所有投给该子信道的选票的权重加和，其公式为：其中，Wk表示分配给第k个WD反馈的子信道的集合，Bk为第k个WD所处在的能量阶段，Rj,k表示第j个信道在第k个WD反馈的子信道中的排名，即为第k个WD投给第j个子信道的选票的权重。所述步骤(D)中，当每一个能量节点统计完分配给自己的频率子信道所得到的选票，就按照以下的单一子信道功率分配方法对传输功率P0进行频域的分配：如果该能量节点的所有子信道都没有收到选票，传输功率将被均匀得分配到所有的子信道；除此之外，全部的传输功率将被分配到得票最高的子信道。所述步骤(C)中，反馈按以下方式来进行：当剩余能量很少的无线终端WD时，反馈的频率子信道数量也少；当剩余能量很多的无线终端WD时，反馈的频率子信道数量也少；当剩余能量适中的无线终端WD时，反馈较多数量的频率子信道。在一实施例中，图3为本发明所设计的充电控制算法在实际系统中的应用，具体来说充电的过程分为以下4步：1.首先，在一个电力传输时隙开始时，每一个WD轮流向能量节点发送信号1：表示当前电池阶段相比于上个时隙有变化，并且能量增加，阶段数加一；0：表示当前电池阶段相比于上个时隙有变化，并且能量减少，阶段数减一。如果当前电池阶段没有变化，就不传输任何信息。当每一个WD的电池初始状态已知时，通过这种简单的1比特反馈就可以让所有的EN知道每一个WD当前的剩余电池状态；2.然后，每一个EN向分配给自己的频率子信道上发送训练序列，每一个WD根据训练序列来估计所有子信道的增益；3.每一个WD根据自己的电池电量选择一定量的子信道进行反馈，只需要反馈子信道的编号，不需要反馈实际的信道增益。具体方法请参照本发明申请书的第2部分；4.每一个EN根据接收到的选票对自己子信道上的传输功率进行分配，详细方法请见本发明申请书的第3部分。各个WD对EN所传输的能量进行接收直至本时隙的结束，然后返回重复第1步。在又一实施例中，图1示意了一个两个能量节点(EN)和两个无线终端(WD)的无线射频充电网络，其原理可以直接拓展到大于两个EN和WD的应用场景。其中，系统总带宽D被均分N＝D/Ω个带宽等于系统相关带宽Ω的子频段，并且每个子频段被均匀的分配给两个能量节点(EN)。通过这样的频段分配可以保证每一个EN所分配到的子频段上的信道衰落彼此独立。每一个能量节点和无线终端都能够自由的在能量和信息传输之间随意切换模式。其中能量信号和信息信号分别用绿色和红色来表示。其中，每一个传输时隙被分为三个部分：第一个部分(信道训练)：每一个EN在每一个自己分配到的子频段上使用通信模块发送信道训练序列，而每一个WD使用通信模块独立地估计自己的N个子信道增益；第二个部分(信道反馈)：WD1和WD2轮流地使用通信模块将估计到的N个子信道中部分信道有选择性地反馈给EN1和EN2，详细信道反馈方法请参见图2。第三个部分(无线能量传输)：EN1和EN2分别根据WD的信道反馈，单独地做出传输功率在频率子信道上分配的决定。两个EN通过能量发送电路同时发送射频能量，而两个WD分别使用各自的能量采集电路来接收能量。图2中示意了本发明所提出的基于用户投票的信道反馈机制。仍然依照图1中两个EN和两个WD的系统设置，假设每个EN被分配到4个频率子信道(SC)，系统共N＝8个频率子信道。·WD1估计完8个子信道的信道增益后，选择最好的4个信道，按照增益的顺序将信道编号{3,4,7,1}发送给两个EN。·WD2估计完8个子信道的信道增益后，选择最好的4个信道，按照增益的顺序将信道编号{4,8,2,6}发送给两个EN。·EN1接收到来自于W1和W2的投票之后，对分配给自己的{1,3,5,7}子信道得到的选票进行统计。·EN2接收到来自于W1和W2的投票之后，对分配给自己的{2,4,6,8}子信道得到的选票进行统计。值得注意的是，该投票反馈机制有以下设计规则：·反馈的数量：剩余能量很少的WD，为了节约能量，反馈的频率子信道数量也少；同时，剩余能量很多的WD，为了避免采集的能量溢出，反馈的频率子信道数量也少；只有剩余能量适中的WD才会反馈较多数量的频率子信道。选票的权重：一个用户的剩余能量越少，其所投票的权重越大；对于同一个用户，信道增益较大的信道所对应的选票权重越大。具体而言，每一张选票的权重可以根据以下例子中的矩阵来进行计算：w=632702190631100]]>其中，矩阵中每一个元素W(i,j)表示当投票的WD处于第i个能量阶段，且该选票所对应的子信道排在该WD所选择的全部信道的第j位时的得票权重。其中能量级别越低所对应的剩余能量也越少。比如以上设计中的W就将电池的容量分割为4个阶段。当某WD处于第一能量阶段，即能量马上要枯竭的时候，它就将发送两个频率子信道反馈给能量节点，其中排在第一(即最强的子信道)的子信道得票权重为W(1,1)＝63，而排在第二的子信道得票权重为W(1,2)＝27。当该WD处于第4能量阶段的时候，即剩余能量接近最大容量时，就只发送一个子信道反馈，其权重仅仅为1。一般来说，WD只需要反馈很少量的子信道，比如最多反馈30个子信道中的4个。W矩阵是系统所有EN和WD均事先知晓的网络参数，在充电控制的过程中是固定不变的。此外，在不同系统中，W矩阵的具体数值是可以根据具体应用场景进行调节的，如根据用户数的多少，频率子信道的数量等。当每一个能量节点接收到来自用户的选票的时候，就将对自己分配到的子信道得到的选票进行统计。具体来讲，某一个子信道j得到的选票vj为所有投给该子信道的选票的权重加和，即其中Wk表示分配给第k个WD反馈的子信道的集合，Bk为第k个WD所处在的能量阶段，Rj,k表示第j个信道在第k个WD反馈的子信道中的排名，即为第k个WD投给第j个子信道的选票的权重。当每一个能量节点统计完分配给自己的频率子信道所得到的选票，就按照以下的单一子信道功率分配方法对传输功率P0进行频域的分配：即如果该能量节点的所有子信道都没有收到选票，传输功率将被均匀得分配到所有的N个子信道；除此之外，全部的传输功率将被分配到得票最高的子信道。本发明所提出的完全分布式的充电算法不需要在各个能量节点间进行协作传输。每一个能量节点只需要统计自己得到的选票就可以进行功率分配。无线设备只需要简单的信道估计能力和数据发射能力。具体而言，每一个无线设备只需要估计本地子信道强度，并根据估计投出数量非常有限的选票，有效的节约了无线设备的硬件成本和用于反馈的能量开销。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3