无线射频通信方法和系统与流程

本发明涉及无线通信领域，更具体地说，涉及一种无线射频通信方法。

背景技术：

无线射频电力传输技术利用射频信号的传播特性，无线传输距离远，能够在对最大距离10米外的无线设备进行有效的充电，同时可以轻易的实现一对多点的能量传输。无线射频电力传输技术的一个重要应用场景是基于无线电的通信网络，一种典型的无线射频通信方法是能量信息混合节点先向无线终端设备下行传输无线能量，然后无线终端设备向信息能量混合节点上行传递信息。这种传输方式将能量节点和信息节点同置为一个混合节点。另一种典型的无线射频通信方法是能量节点和信息节点分置，能量节点只负责下行传递能量给无线终端用户，无线终端用户获取能量后再传递给信息节点，由于能量节点和信息节点分别布设在不同的地方，这种布设方式相对于能量信息混合节点更具有灵活性。

然而，使用能量信息节点同置的布设方式时，往往会造成严重的用户不公平，导致一部分用户可能距离混合节点较近，接收到的能量过剩却数据传输损耗少，而另外一些用户距离混合节点较远，获得的能量严重不足且数据传输损耗大。这样造成了用户在获取能量不公平的基础上，进而又增加了信息传递的不公平性，造成了在能量和信息上双重不公平的问题。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。

虽然将能量节点和信息节点分置时，能在一定程度通过调节能量节点，终端用户，信息接收节点三者之间的位置缓解用户能量接收和信息传递双重不公平性的问题，但是这种调节对系统性能的提高十分有限，整个通信网络的数据吞吐量显著仍然较低，不能显著提高整个通信网络的整体性能。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种能够显著提高整个通信网络的整体性能的无线射频通信方法和系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种无线射频通信方法，包括：

S1、构造至少包括能量节点、第一无线终端用户、第二无线终端用户和目的节点的通信网络，其中所述能量节点、所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户均可工作在能量传输模式和信息传输模式；

S2、在信道估计阶段，所述能量节点、所述第一无线终端用户、所述第二无线终端用户和所述目的节点进行信道估计；

S3、在能量传输阶段，所述能量节点发送射频能量到所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户；

S4、在信息传输阶段，所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户相互进行信息交换；

S5、在信息交付阶段，所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户同时将信息联合传输给所述目的节点；

在本发明所述的无线射频通信方法中，进一步包括：S6、基于传输时隙、所述信道估计阶段、所述能量传输阶段、所述信息传输阶段和所述信息交付阶段优化所述通信网络的信息传输速率。

在本发明所述的无线射频通信方法中，所述步骤S2包括：

S21、所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户分别发送信道训练序列；

S22、所述能量节点、所述第一无线终端用户、所述第二无线终端用户和所述目的节点分别估计自己的信道增益；

S23、所述能量节点、所述第一无线终端用户、所述第二无线终端用户和所述目的节点轮流将信道信息估计值发送给控制节点。

在本发明所述的无线射频通信方法中，所述步骤S3进一步包括

S31、所述能量节点通过能量发送电路发送所述射频能量；

S32、所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户分别通过能量采集电路接收所述射频能量，其中所述第一无线终端用户接收的第一射频能量表示为E_X＝ηt₁P_th_EX，所述第二无线终端用户接收的第二射频能量表述为E_Y＝ηt₁P_th_EY；其中η为能量转化效率；t₁表示在一个传输时隙中，射频能量的传输子时隙，P_t表示所述能量节点的发射功率；h_EX表示从所述能量节点到所述第一无线终端用户的信道增益；h_EY表示从所述能量节点到所述第二无线终端用户的信道增益。

在本发明所述的无线射频通信方法中，所述步骤S4进一步包括：

S41、所述第一无线终端用户以第一信息传输速率向所述第二无线终端用户传输信息，其中所述第一信息传输速率表示为其中t₂表示在一个传输时隙中，所述第一无线终端用户向所述第二无线终端用户传输信息的第一信息传输子时隙；其中t₄表示在一个传输时隙中，所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户向所述目的节点传输信息的第三信息传输子时隙；h_XY表示从所述第一无线终端用户到所述第二无线终端用户的信道增益，N₀表示噪声功率；

S42、所述第二无线终端用户以第二信息传输速率向所述第一无线终端用户传输信息，其中所述第二信息传输速率表示为其中t₃表示在一个传输时隙中，所述第二无线终端用户向所述第一无线终端用户传输信息的第二信息传输子时隙；h_YX表示从所述第二无线终端用户到所述第一无线终端用户的信道增益。

在本发明所述的无线射频通信方法中，所述步骤S5进一步包括：所述第 一无线终端用户和所述第二无线终端用户以第三信息传输速率同时向所述目的节点传输信息，其中所述第三信息传输速率表示为 h_XD表示从所述第一无线终端用户到所述目的节点的信道增益；h_YD表示从所述第二无线终端用户到所述目的节点的信道增益。

在本发明所述的无线射频通信方法中，所述步骤S6包括：基于 采用一次线性搜索获得所述通信网络的最大信息传输速率，其中l表示传输时隙，t₀表示一个传输时隙中的信道估计子时隙。

在本发明所述的无线射频通信方法中，在步骤S5中，所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户采用Alamouti STBC编码方式将所述信息联合传输给所述目的节点。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种无线射频通信系统，至少包括能量节点、第一无线终端用户、第二无线终端用户和目的节点，所述能量节点、所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户均可工作在能量传输模式和信息传输模式；其中在信道估计阶段，所述能量节点、所述第一无线终端用户、所述第二无线终端用户和所述目的节点用于进行信道估计；在能量传输阶段，所述能量节点用于发送射频能量到所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户；在信息传输阶段，所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户用于相互进行信息交换；在信息交付阶段，所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户用于将信息联合传输给所述目的节点；所述无线射频通信系统进一步包括控制节点，用于基于传输时隙、所述信道估计阶段、所述 能量传输阶段、所述信息传输阶段和所述信息交付阶段优化所述通信网络的信息传输速率。

在本发明所述的无线射频通信系统中，所述能量节点包括用于发送所述射频能量的能量发送电路；所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户分别包括用于接收所述射频能量的能量采集电路；其中所述第一无线终端用户接收的第一射频能量表示为E_X＝ηt₁P_th_EX，所述第二无线终端用户接收的第二射频能量表述为E_Y＝ηt₁P_th_EY；其中η为能量转化效率，t₁表示所述射频能量的传输子时隙，P_t表示所述能量节点的发射功率；h_EX表示从所述能量节点到所述第一无线终端用户的信道增益；；h_EY表示从所述能量节点到所述第二无线终端用户的信道增益；所述第一无线终端用户以第一信息传输速率向所述第二无线终端用户传输信息，其中所述第一信息传输速率表示为所述第二无线终端用户以第二信息传输速率向所述第一无线终端用户传输信息，其中所述第二信息传输速率表示为所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户以第三信息传输速率同时向所述目的节点传输信息，其中所述第三信息传输速率表示为t₂表示在一个传输时隙中，所述第一无线终端用户向所述第二无线终端用户传输信息的第一信息传输子时隙；其中t₄表示在一个传输时隙中，所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户向所述目的节点传输信息的第三信息传输子时隙；h_XY表示从所述第一无线终端用户到所述第二无线终端用户的信道增益；t₃表示在一个传输时隙中，所述第二无线终端用户向所述第一无线终端用户传输信息的第二信息传输子时隙；h_YX表示从所述第二无线终端用户到所述 第一无线终端用户的信道增益；；h_XD表示从所述第一无线终端用户到所述目的节点的信道增益；h_YD表示从所述第二无线终端用户到所述目的节点的信道增益；N₀表示噪声功率。

实施本发明的无线射频通信方法和系统，通过所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户之间能量和信息的合作，实现传输效率和用户公平性的均衡。经验证，相比于简单无合作的无线充电技术，在兼顾公平性的前提下，本发明能够实现整个网络传输速率60％的提升。更进一步地，本发明的无线射频通信方法和系统无需无线终端用户知道用户到信息接收节点的信道状态信息，实现起来简明高效。再进一步地，本发明的无线射频通信方法和系统，通过复杂度低、效率高的方法，获得了网络传输速率的最优解。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的无线射频通信方法的流程图；

图2根据本发明的第一实施例的无线射频通信系统的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是根据本发明的第一实施例的无线射频通信方法的流程图。如图1所示，本发明的无线射频通信方法包括以下步骤。在步骤S1中，构造至少包括能量节点、第一无线终端用户、第二无线终端用户和目的节点的通信网络。在本发明的一个优选实施例中，该通信网络可以包括一个能量节点、两个无线终端用户，即第一无线终端用户X、第二无线终端用户Y，一个目的节点。在本发明的另一优选实施例中，所述通信网络可以包括多个能量节点、多个无线终端用户，多个目的节点。本发明不受能量节点、无线终端用户和目的节点的 具体数量的限制。

在本发明中，所述能量节点、所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户均可工作在能量传输模式和信息传输模式。即所述能量节点、所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户可以自由地在能量传输模式和信息传输模式之间随意切换。而该通信网络的每个传输时隙可以分成四个阶段，即信道估计阶段、能量传输阶段、信息传输阶段和信息交付阶段。

在步骤S2中，在信道估计阶段，所述能量节点、所述第一无线终端用户、所述第二无线终端用户和所述目的节点进行信道估计。在本发明的一个优选实施例中，所述第一无线终端用户、所述第二无线终端用户可以分别发送信道训练序列。随后，所述能量节点、所述第一无线终端用户、所述第二无线终端用户和所述目的节点分别估计自己的信道增益。然后，所述能量节点、所述第一无线终端用户、所述第二无线终端用户和所述目的节点轮流将信道信息估计值发送给控制节点。所述控制节点可以基于这些信道信息估计值计算和分配最优时隙。在经过信道估计之后，所述第一无线终端用户、所述第二无线终端用户还是不知道其各自到目的节点之间的信道状态信息，因此选用可选用Alamouti space time block code(STBC)作为信息传输的编码方式。当然，在本发明的其他优选实施例中，还可以采用其他的方式进行信道估计。

在步骤S3中，在能量传输阶段，所述能量节点发送射频能量到所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户。在本发明的一个优选实施例中，所述能量节点通过能量发送电路发送所述射频能量；所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户分别通过能量采集电路接收所述射频能量。

在步骤S4中，在信息传输阶段，所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户相互进行信息交换。在本发明的一个优选实施例中，所述第一无线终端用户先以第一信息传输速率向所述第二无线终端用户传输信息。然而，所述第二无线终端用户以第二信息传输速率向所述第一无线终端用户传输信息。当然，在本发明的另一优选实施例中，也可以先由第二无线终端用户向第一无线终端用户传输信息，然后由所述第一无线终端用户向所述第二无线终端用户传输信息。在信息传输阶段结束之后，所述第一无线终端用户向所述第二无线终 端用户拥有了各自需要传输的全部信息。

在步骤S5中，在信息交付阶段，所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户同时将信息联合传输给所述目的节点。在本发明的一个优选实施例中，所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户采用Alamouti STBC编码方式将所述信息联合传输给所述目的节点。

实施本发明的无线射频通信方法，通过所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户之间能量和信息的合作，实现传输效率和用户公平性的均衡。经验证，相比于简单无合作的无线充电技术，在兼顾公平性的前提下，本发明能够实现整个网络传输速率60％的提升。更进一步地，本发明的无线射频通信方法和系统无需无线终端用户知道用户到信息接收节点的信道状态信息，实现起来简明高效。

在本发明的又一优选实施例中，该方法还可以进一步包括步骤S6，基于整个传输时隙、所述信道估计阶段、所述能量传输阶段、所述信息传输阶段和所述信息交付阶段优化所述通信网络的信息传输速率。在本发明中，所述信道估计阶段、所述能量传输阶段、所述信息传输阶段和所述信息交付阶段构成整个传输时隙。而通过优化所述信道估计阶段、所述能量传输阶段、所述信息传输阶段和所述信息交付阶段的取值，可以获得最大的信息传输速率。这样，可以通过复杂度低、效率高的方法，获得了网络传输速率的最优解。

图2根据本发明的第一实施例的无线射频通信系统的示意图。如图2所示，所述无线射频通信系统，至少包括能量节点EN、第一无线终端用户X、第二无线终端用户Y和目的节点DN。所述能量节点EN至少包括用于射频能量发送的能量发送电路和用于信息传送的无线通信电路。所述第一无线终端用户X、第二无线终端用户Y分别包括用于接收所述射频能量的能量采集电路和用于信息传送的无线通信电路。

下面结合图2所示的无线射频通信系统对本发明的无线射频通信方法和系统的优选实施例做进一步的详细说明。

在本实施例中，所述能量节点EN、所述第一无线终端用户X和所述第二无线终端用户Y均可工作在能量传输模式和信息传输模式。参见图2，射频能 量传送和信息传送分别用实线和虚线进行表示。每个传输时隙被分成四个阶段，即信道估计阶段、能量传输阶段、信息传输阶段和信息交付阶段。而这四个阶段进一步对应于六个子时隙。如图2所示，一个时隙T分为6个子时隙t₀、t₁、t₂、t₃、t₄⁽¹⁾、t₄⁽²⁾，其中t₀表示信道估计子时隙，t₁表示所述射频能量的传输子时隙，t₂表示所述第一无线终端用户X向所述第二无线终端用户Y传输信息的信息传输子时隙；t₃表示所述第二无线终端用户Y向所述第一无线终端用户X传输信息的信息传输子时隙；t₄⁽¹⁾表示所述第一无线终端用户X向所述目的节点传输信息的信息传输子时隙；t₄⁽²⁾表示所述第一无线终端用户X和所述第二无线终端用户Y向所述目的节点传输信息的信息传输子时隙。

在信道估计子时隙t₀中，所述第一无线终端用户X和所述第二无线终端用户Y分别使用无线通信电路发送信道训练序列。并且所述能量节点EN、所述第一无线终端用户X、所述第二无线终端用户Y和所述目的节点DN分别估计自己的信道增益。然后所述能量节点EN、所述第一无线终端用户X、所述第二无线终端用户Y和所述目的节点DN轮流使用各自的无线通信电路将信道信息估计值发送给所述通信网络中或者外的一个负责计算和分配最优时隙的控制节点。经过信道估计，所述第一无线终端用户X、所述第二无线终端用户Y还是无法知道其自身到目的节点DN之间的信道状态信息。在此背景下，我们选用可选用Alamouti space time block code(STBC)作为无线信息传输的编码方式。

在射频能量传输子时隙t₁中，所述能量节点EN通过能量发送电路发送所述射频能量。所述第一无线终端用户X和所述第二无线终端用户Y分别通过能量采集电路接收所述射频能量，其中所述第一无线终端用户X接收的第一射频能量表示为E_X＝ηt₁P_th_EX，所述第二无线终端用户Y接收的第二射频能量表述为E_Y＝ηt₁P_th_EY。其中η为能量转化效率。通常能量转换效率为50-70％左右。P_t表示所述能量节点的发射功率，例如可以是3W。h_EX表示从所述能量节点到所述第一无线终端用户X的信道增益；h_EY表示从所述能量节点到所述第二无 线终端用户的信道增益。信道增益可以依据以下公式进行计算 其中f_d表示915MHz载波频率，d_D表示路径损耗分量。

在信息传输子时隙t₂中，所述第一无线终端用户X在获取所述射频能量之后，以第一信息传输速率向所述第二无线终端用户Y传输信息，其中所述第一信息传输速率表示为在信息传输子时隙t₃中，所述第二无线终端用户Y在获取能量之后，以第二信息传输速率向所述第一无线终端用户传输信息，其中所述第二信息传输速率表示为 这样，所述第一无线终端用户X将自己的信息发送给所述第二无线终端用户Y，所述第二无线终端用户同样也将自己的信息发送给所述第一无线终端用户X。在信息交换结束后，所述第一无线终端用户X和所述第二无线终端用户Y都拥有了各自所要传输的全部信息。

在上述公式中，h_XY表示从所述第一无线终端用户到所述第二无线终端用户的信道增益；h_YX表示从所述第二无线终端用户到所述第一无线终端用户的信道增益；N₀表示噪声功率。本领域技术人员知悉，所述第一无线终端用户X和所述第二无线终端用户Y之间的信息交换传输顺序可以调换。

在信息传输子时隙t₄＝t₄⁽¹⁾+t₄⁽²⁾中，所述第一无线终端用户X和所述第二无线终端用户Y采用Alamouti STBC编码方式以第三传输速率同时将所述信息联合传输给所述目的节点DN，所述第三传输速率可以表示为 其中h_XD表示从所述第一无线终端用户到所述目的节点的信道增益；h_YD表示从所述第二无线终端用户到所述目的节点的信道增益。

由以上讨论可以得出，所述第一无线终端用户X和所述第二无线终端用户Y可达到的速率为：

因此，本发明的无线射频通信系统整体可达到的速率为R＝min(R_X,R_Y)。进而，整个问题可以转化为如下的优化问题：

s.t. t₁+t₂+t₃+t₄＝1-t₀,

t₁,t₂,t₃,t₄≥0,

为了解决最优时间分配的问题，本发明可以按照如下方法求解时间，从而获得最优系统速率，具体如下：

首先，给定t₁，一定存在一组唯一解(t₂,t₃,t₄)

根据t₂∈[0,t₂+t₃],单调递增，单调递减,当(t₁,t₄)给定，使得t₂+t₃＝1-t₀-t₁-t₄为固定值时，我们总能找到一组唯一解(t₂,t₃)满足

同样，和可以分别用(t₁,t₄)表示，此外，因为(t₂,t₃)被(t₁,t₄)唯一确定，也可以表示为(t₁,t₄)的函数，这样，给定t₁的值，t₄也可以唯一确定，从而使得因为当t₄∈[0,1-t₀-t₁]时，单调递减且当t₄＝1-t₀-t₁时，而当t₄＝0时，且单调递增，t₄∈[0,1-t₀-t₁]。

现在给定t₁，一组唯一解(t₂,t₃,t₄)可以确定，所以只要在区间t₁∈[0,1-t₀]经过一次线性搜索，求出最优的t₁，就可以得出最优解(t₁,t₂,t₃,t₄)。以下示出了最优解搜索算法的伪代码，第7-17行对应二分法搜索t₂，第4-24行对应二分法搜索t₄。该算法时间复杂度为1/Δ·[log(1/σ)]²,其中Δ和σ是步长参数，取决于算法的精度要求。

实施本发明的无线射频通信方法和系统，通过所述第一无线终端用户和所述第二无线终端用户之间能量和信息的合作，实现传输效率和用户公平性的均衡。经验证，相比于简单无合作的无线充电技术，在兼顾公平性的前提下，本发明能够实现整个网络传输速率60％的提升。更进一步地，本发明的无线射频通信方法和系统无需无线终端用户知道用户到信息接收节点的信道状态信息，实现起来简明高效。再进一步地，本发明的无线射频通信方法和系统，通过复杂度低、效率高的方法，获得了网络传输速率的最优解。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。