一种无线供电通信方法及系统与流程

本发明涉及无线供电通信网技术领域，特别涉及一种无线供电通信方法及系统。

背景技术：

当前，射频能量收集技术能为WSN(即Wireless Sensor Networks，无线传感器网络)或IoT(即Internet of Things，物联网)等能量受限网络提供持续稳定的能量。

最近出现了一种改进的无线供电通信网，供电站不仅负责给网内通信设备终端进行无线充电，还可以作为一个能量信息混合的信息接入点(Hybrid Access Point，H-AP)与网内通信设备终端进行信息通信，并且在能量传送端利用多根天线进行能量波束成形，有助于集中能量在接收端的方向，提高能量传输效率。

然而，在上述无线供电通信网中，如果通信设备终端所获取到的能量较少，则该通信设备终端便无法将自身的信息发送至信息接入点，从而导致通信设备终端与信息接入点之间的通信失败。

综上所述可以看出，如何提高通信设备终端与信息接入点之间信息通信的成功率是目前还有待进一步解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无线供电通信方法及系统，提高了通信设备终端与信息接入点之间信息通信的成功率。其具体方案如下：

一种无线供电通信方法，包括：

若信息接入点需要分别与第一终端以及第二终端进行信息通信，则将所述信息接入点上的射频能量分别传输至所述第一终端和所述第二终端；其中，所述第一终端与所述信息接入点之间的距离大于所述第二终端与所述信息接入点之间的距离；

在所述第一终端获取到的射频能量的支持下，以广播形式向外界发送第一信息；其中，所述第一信息包括第一终端信息；

当所述第二终端接收到所述第一信息，则确定是否需要所述第二终端将所述第一终端信息转发至所述信息接入点；

如果需要所述第二终端将所述第一终端信息转发至所述信息接入点，则在所述第二终端获取到的射频能量的支持下，向所述信息接入点依次发送所述第一终端信息以及第二信息；其中，所述第二信息包括第二终端信息。

可选的，所述当所述第二终端接收到所述第一信息，则确定是否需要所述第二终端将所述第一终端信息转发至所述信息接入点的过程，包括：

当所述第二终端接收到所述第一信息，则直接判定需要所述第二终端将接收到的所述第一信息中的所述第一终端信息转发至所述信息接入点。

可选的，所述第一信息中还包括距离相关信息；

其中，所述距离相关信息为与当前所述第一终端与所述信息接入点之间的距离相关的信息。

可选的，所述当所述第二终端接收到所述第一信息，则确定是否需要所述第二终端将所述第一终端信息转发至所述信息接入点的过程，包括：

当所述第二终端接收到所述第一信息，则利用位于所述第一信息中的所述距离相关信息，判断是否需要所述第二终端将接收到的所述第一信息中的所述第一终端信息转发至所述信息接入点。

可选的，所述距离相关信息为当前所述第一终端与所述信息接入点之间的实际距离值；

相应的，所述利用位于所述第一信息中的所述距离相关信息，判断是否需要所述第二终端将接收到的所述第一信息中的所述第一终端信息转发至所述信息接入点的过程，包括：

判断所述实际距离值是否小于预设距离阈值，如果是，则判定无需所述第二终端将所述第一终端信息转发至所述信息接入点，如果否，则判定需要所述第二终端将所述第一终端信息转发至所述信息接入点。

可选的，所述距离相关信息为二进制标志位；其中，若所述二进制标志位为0，则表示当前所述第一终端与所述信息接入点之间的实际距离值小于预设距离阈值，若所述二进制标志位为1，则表示当前第一终端与所述信息接入点之间的实际距离值不小于所述预设距离阈值；

相应的，所述利用位于所述第一信息中的所述距离相关信息，判断是否需要所述第二终端将接收到的所述第一信息中的所述第一终端信息转发至所述信息接入点的过程，包括：

若所述二进制标志位为0，则判定无需所述第二终端将所述第一终端信息转发至所述信息接入点，若所述二进制标志位为1，则判定需要所述第二终端将所述第一终端信息转发至所述信息接入点。

可选的，射频能量传输阶段以及信息传输阶段所涉及的相关参数的求解过程，包括：

构造与射频能量传输阶段与信息传输阶段相关的最优化问题；其中，所述最优化问题为非凸优化问题；

将所述最优化问题由非凸优化问题等效转换成凸优化问题，得到转换后的最优化问题；

对所述转换后的最优化问题进行求解，得到射频能量传输阶段以及信息传输阶段所涉及的相关参数。

本发明还公开了一种无线供电通信系统，包括：

设于信息接入点上的能量传输模块，用于当所述信息接入点需要分别与第一终端以及第二终端进行信息通信，则将所述信息接入点上的射频能量分别传输至所述第一终端和所述第二终端；其中，所述第一终端与所述信息接入点之间的距离大于所述第二终端与所述信息接入点之间的距离；

设于所述第一终端上的第一信息发送模块，用于在所述第一终端获取到的射频能量的支持下，以广播形式向外界发送第一信息；其中，所述第一信息包括第一终端信息；

设于所述第二终端上的任务确定模块，用于当所述第二终端接收到所述第一信息，则确定是否需要所述第二终端将所述第一终端信息转发至所述信息接入点；

设于所述第二终端上的第二信息发送模块，用于当所述任务确定模块确定出需要所述第二终端将所述第一终端信息转发至所述信息接入点，则在所述第二终端获取到的射频能量的支持下，向所述信息接入点依次发送所述第一终端信息以及第二信息；其中，所述第二信息包括第二终端信息。

可选的，所述任务确定模块，具体用于当所述第二终端接收到所述第一信息，则直接判定需要所述第二终端将接收到的所述第一信息中的所述第一终端信息转发至所述信息接入点。

可选的，所述第一信息中还包括距离相关信息；

其中，所述距离相关信息为与当前所述第一终端与所述信息接入点之间的距离相关的信息；

相应的，所述任务确定模块，具体用于当所述第二终端接收到所述第一信息，则利用位于所述第一信息中的所述距离相关信息，判断是否需要所述第二终端将接收到的所述第一信息中的所述第一终端信息转发至所述信息接入点。

本发明中，无线供电通信方法，包括：若信息接入点需要分别与第一终端以及第二终端进行信息通信，则将信息接入点上的射频能量分别传输至第一终端和第二终端；其中，第一终端与信息接入点之间的距离大于第二终端与信息接入点之间的距离；在第一终端获取到的射频能量的支持下，以广播形式向外界发送第一信息；其中，第一信息包括第一终端信息；当第二终端接收到第一信息，则确定是否需要第二终端将第一终端信息转发至信息接入点；如果需要第二终端将第一终端信息转发至信息接入点，则在第二终端获取到的射频能量的支持下，向信息接入点依次发送第一终端信息以及第二信息；其中，第二信息包括第二终端信息。

可见，本发明在信息接入点分别与第一终端和第二终端进行信息通信的过程中，会在第一终端获取到的射频能量的支持下，以广播形式向外界发送包含第一终端信息的第一信息，接着，当第二终端接收到第一信息之后，将会判断是否需要第二终端将接收到的第一信息中的第一终端信息转发至信息接入点，如果需要，则在第二终端获取到的射频能量的支持下，向信息接入点依次发送第一终端信息以及包含第二终端信息的第二信息，由此提高了第一终端与信息接入点之间的信息通信成功率。也即，本发明能够提高通信设备终端与信息接入点之间信息通信的成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种无线供电通信方法流程图；

图2为本发明实施例公开的一种具体的无线供电通信方法流程图；

图3为本发明实施例公开的一种具体的无线供电通信方法流程图；

图4a和图4b为本发明实施例公开的一种具体的无线供电通信应用场景；

图5为本发明实施例公开的一种无线供电通信系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种无线供电通信方法，参见图1所示，该方法包括：

步骤S11：若信息接入点需要分别与第一终端以及第二终端进行信息通信，则将信息接入点上的射频能量分别传输至第一终端和第二终端；其中，第一终端与信息接入点之间的距离大于第二终端与信息接入点之间的距离。

本实施例中，信息接入点(即Access Point)既可以向通信终端传递射频能量，也能够与通信终端之间展开通信，是一种能量信息混合接入点(即H-AP，Hybrid Access Point)。

另外，本实施例中，第一终端相对于第二终端来说，在距离上更接近上述信息接入点。

步骤S12：在第一终端获取到的射频能量的支持下，以广播形式向外界发送第一信息；其中，第一信息包括第一终端信息。

本实施例中，第一终端获取到射频能量之后，将会在该射频能量的支持下，以广播形式向外界发送上述第一信息，这样，在本次发送过程信息所能达到范围之内的所有通信终端以及所有信息接入点均能获取到上述第一信息。

步骤S13：当第二终端接收到第一信息，则确定是否需要第二终端将第一终端信息转发至信息接入点。

步骤S14：如果需要第二终端将第一终端信息转发至信息接入点，则在第二终端获取到的射频能量的支持下，向信息接入点依次发送第一终端信息以及第二信息；其中，第二信息包括第二终端信息。

可见，本发明实施例在信息接入点分别与第一终端和第二终端进行信息通信的过程中，会在第一终端获取到的射频能量的支持下，以广播形式向外界发送包含第一终端信息的第一信息，接着，当第二终端接收到第一信息之后，将会判断是否需要第二终端将接收到的第一信息中的第一终端信息转发至信息接入点，如果需要，则在第二终端获取到的射频能量的支持下，向信息接入点依次发送第一终端信息以及包含第二终端信息的第二信息，由此提高了第一终端与信息接入点之间的信息通信成功率。也即，本发明实施例能够提高通信设备终端与信息接入点之间信息通信的成功率。

参见图2所示，本发明实施例公开了一种具体的无线供电通信方法，包括如下步骤：

步骤S21：若信息接入点需要分别与第一终端以及第二终端进行信息通信，则将信息接入点上的射频能量分别传输至第一终端和第二终端；其中，第一终端与信息接入点之间的距离大于第二终端与信息接入点之间的距离。

步骤S22：在第一终端获取到的射频能量的支持下，以广播形式向外界发送第一信息；其中，第一信息包括第一终端信息。

步骤S23：当第二终端接收到第一信息，则直接判定需要第二终端将接收到的第一信息中的第一终端信息转发至信息接入点。

步骤S24：在第二终端获取到的射频能量的支持下，向信息接入点依次发送第一终端信息以及第二信息；其中，第二信息包括第二终端信息。

可以理解的是，如果在预设时间段内，第二终端始终没有接收到上述第一信息，则在第二终端获取到的射频能量的支持下，仅向信息接入点发送上述第二信息。其中，上述预设时间段可以根据实际经验进行设定，在此不对其进行具体限定。

参见图3所示，本发明实施例公开了一种具体的无线供电通信方法，包括如下步骤：

步骤S31：若信息接入点需要分别与第一终端以及第二终端进行信息通信，则将信息接入点上的射频能量分别传输至第一终端和第二终端；其中，第一终端与信息接入点之间的距离大于第二终端与信息接入点之间的距离。

步骤S32：在第一终端获取到的射频能量的支持下，以广播形式向外界发送第一信息；其中，第一信息包括第一终端信息以及距离相关信息。

其中，上述距离相关信息为与当前第一终端与信息接入点之间的距离相关的信息，例如，上述距离相关信息可以是当前第一终端与信息接入点之间的实际距离值，也可以是一种二进制标志位，其中，若上述二进制标志位为0，则表示当前第一终端与信息接入点之间的实际距离值小于预设距离阈值，若二进制标志位为1，则表示当前第一终端与信息接入点之间的实际距离值不小于预设距离阈值；

步骤S33：当第二终端接收到第一信息，则利用位于第一信息中的距离相关信息，判断是否需要第二终端将接收到的第一信息中的第一终端信息转发至信息接入点。

具体的，如果上述第一信息中的距离相关信息具体是当前第一终端与信息接入点之间的实际距离值，则上述利用位于第一信息中的距离相关信息，判断是否需要第二终端将接收到的第一信息中的第一终端信息转发至信息接入点的过程，具体可以包括：

判断实际距离值是否小于预设距离阈值，如果是，则判定无需第二终端将第一终端信息转发至信息接入点，如果否，则判定需要第二终端将第一终端信息转发至信息接入点。

另外，如果上述第一信息中的距离相关信息具体是上述二进制标志位，则上述利用位于第一信息中的距离相关信息，判断是否需要第二终端将接收到的第一信息中的第一终端信息转发至信息接入点的过程，具体可以包括：

若二进制标志位为0，则判定无需第二终端将第一终端信息转发至信息接入点，若二进制标志位为1，则判定需要第二终端将第一终端信息转发至信息接入点。

步骤S34：如果判定出需要第二终端将第一终端信息转发至信息接入点，则在第二终端获取到的射频能量的支持下，向信息接入点依次发送第一终端信息以及第二信息；其中，第二信息包括第二终端信息。

步骤S35：如果判定出无需第二终端将第一终端信息转发至信息接入点，则在第二终端获取到的射频能量的支持下，仅向信息接入点发送上述第二信息。

进一步的，在前述各个实施例中公开的无线供电通信方法中，相关的射频能量传输阶段以及信息传输阶段所涉及的相关参数的求解过程，具体可以包括：

构造与射频能量传输阶段与信息传输阶段相关的最优化问题，其中，最优化问题为非凸优化问题，然后将最优化问题由非凸优化问题等效转换成凸优化问题，得到转换后的最优化问题，接着对转换后的最优化问题进行求解，得到射频能量传输阶段以及信息传输阶段所涉及的相关参数。

下面结合一个具体的应用场景来对上述相关参数的求解过程进行说明：

图4a和图4b示出了一个具体的应用场景，该场景中包括一个有N根天线的H-AP，以及两个单天线的用户终端，分别为U₁和U₂，并且U₁比U₂距离H-AP更远。

其中，U₁和U₂需要接收H-AP传输的射频能量后，利用接收的能量将自身信息传送给H-AP。

设T为每次传送过程的时间，其中τ_eT的时间用于能量传输(H-AP传给U₁和U₂)，(1-τ_e)T的时间用于信息传输(U₁和U₂传给H-AP)，τ_e∈[0,1]。假设在每次传送过程的时间T内，节点A到节点B的信道系数与节点B到节点A的信道系数相同。

在能量传输阶段，用户终端U_i接收的信号能表示成：

式中，P_H-AP是H-AP的传输功率，h_i为H-AP到U_i的N×1维的复信道向量，x_e为波束成形后的N×1维的向量信号，是用于传输能量的单位能量信号，满足n_i代表U_i接收到的参数为N₀的零均值加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)。

H-AP采用能量波束成形技术，x_e＝ws_e。s_e为单位能量信号，w为波束成形向量，满足下面的公式(1)：

‖w‖²≤1； (1)

因此，在能量传输阶段，用户终端U_i接收的能量可表示为：

η为能量转换效率常数。

由于用户终端U_i与H-AP距离不一样，距离近的用户终端可以直接传送信息给H-AP，距离远的用户终端可能需要距离近的用户终端协助中继传送信息给H-AP。为更好说明用户协作过程，信息传输阶段被分为三个阶段，在第一个阶段(τ₁T)U₁向H-AP和U₂传送自己的信息，在第二个阶段U₂向H-AP传送U₁的信息，在第三个阶段U₂向H-AP传送自己的信息。

在第一个阶段中，H-AP和U₂接收的U₁发送信号为：s₁为U₁传送的单位能量的信号，n₀为H-AP接收到的参数为N₀的零均值加性高斯白噪声，g为U₁到U₂的复信道向量，P₁为U₁传输功率。由于U₁使用的能量都来自于能量传输阶段收集的能量，因此P₁τ₁T≤E₁，也即满足

在第二个阶段中，H-AP接收U₂发送的信号为：为U₂在第二个阶段的传输功率，是U₂解码转发的第一个阶段接收到的U₁的信号，也是单位能量信号。因此H-AP接收到两份U₁的信号，一份U₁直接发送的信号和一份U₂解码转发的U₁的信号。U₁到H-AP的端到端可达信息率的表达式如下所示：

其中，

在第三个阶段中，H-AP接收的U₂发送信号为：因此U₂到H-AP的端到端可达信息率的表示式如下所示：

式中，为U₂在第三个阶段的传输功率，是U₂自身需要传输的单位能量信号，由于U₂使用的能量都来自于能量传输阶段收集的能量，因此也即满足：

根据以上描述，T被分成四部分：不失一般性，上述满足下面的公式(6)和公式(7)：

下面将上述场景建模为一个最优化问题求解，优化目标为最大化系统用户的加权和速率，调节参数为能量波束成型参数w、时间分配参数功率分配参数

设α₁,α₂≥0为预先定义的用户U₁和U₂速率权重，代表了用户信息重要程度。若α₁＞α₂表示U₁信息比U₂信息更重要，优先给U₁分配更高速率(提高R₁)发送U₁信息；反之亦然。此时最优化问题具体如下面公式(8)所示：

其中，为时间分配向量，为功率分配向量。另外，上述公式(8)对应的约束条件具体如下所示：

s.t.公式(1)，公式(2)，公式(5)，公式(6)，公式(7)。

其中，公式(1)为能量波束成型向量约束，公式(2)和公式(5)为功率分配约束，公式(6)和公式(7)为时间分配约束。

从公式(2)和公式(5)可以看出，τ与P耦合在一起，因此公式(2)和公式(5)是非凸集合，公式(8)不是凸优化问题，不能直接通过现有方法求解。

下面对公式(8)进行一系列等价变换，将公式(8)转化为凸优化问题进行求解。

根据公式(3)，R₁满足下面三个约束：

R₁≥0； (11)

如果把R₁当做一个优化变量，公式(8)能表示成：

其中，上述公式(12)对应的约束条件具体如下所示：

s.t.公式(1)，公式(2)，公式(5)，公式(6)，公式(7)，公式(9)，公式(10)，公式(11)。

但在公式(9)和公式(10)中，τ与P仍然耦合在一起，因此公式(12)依然不是凸优化问题。为此，引入辅助向量分别用取代则公式(4)、公式(9)、公式(10)转化为：

定义公式(1)能被表示为：

公式(2)、公式(5)能被表示为：

此时，公式(17)和公式(18)依然非凸，进一步引入变量则公式(16)能被表示为：

公式(17)能被表示为：

公式(18)能被表示为：

通过这一系列等价变换，公式(8)中的P1能被表示为：

其中，上述公式(22)对应的约束条件如下所示：

s.t.公式(6)，公式(7)，公式(14)，公式(15)，公式(19)，公式(20)，公式(21)，R₁≥0。

但由于公式(19)中的秩约束rank(V)＝1，此时P2依然非凸。为解决这个问题，可通过SDR方法求解，首先去除秩约束，得到放松的P2，也即得到下面的P3：

与公式(23)对应的约束条件具体如下：

s.t.公式(6)，公式(7)，公式(14)，公式(15)，公式(11)，公式(20)，公式(21)，Tr(V)≤τ_e,V≥0。

可以证明P3是一凸问题，其全局最优解唯一且可通过凸优化的标准求解方法(如：SeduMi，CVX)求得。可进一步证明P3的全局最优解V^*总是满足秩约束rank(V)＝1，因此可通过求得W^*，根据W^*＝w^*w^*H通过特征值分解求得w^*，w^*即为P1的最优波束成型向量，至此P1的全局最优解求出，此最优解即为基于用户协作的无线供电网络最大用户和速率的资源分配方案。

另外，本发明实施例还公开了一种无线供电通信系统，参见图5所示，该系统包括：

设于信息接入点上的能量传输模块11，用于当信息接入点需要分别与第一终端以及第二终端进行信息通信，则将信息接入点上的射频能量分别传输至第一终端和第二终端；其中，第一终端与信息接入点之间的距离大于第二终端与信息接入点之间的距离；

设于第一终端上的第一信息发送模块12，用于在第一终端获取到的射频能量的支持下，以广播形式向外界发送第一信息；其中，第一信息包括第一终端信息；

设于第二终端上的任务确定模块13，用于当第二终端接收到第一信息，则确定是否需要第二终端将第一终端信息转发至信息接入点；

设于第二终端上的第二信息发送模块14，用于当任务确定模块确定出需要第二终端将第一终端信息转发至信息接入点，则在第二终端获取到的射频能量的支持下，向信息接入点依次发送第一终端信息以及第二信息；其中，第二信息包括第二终端信息。

本实施例中，上述任务确定模块，具体可以用于当第二终端接收到第一信息，则直接判定需要第二终端将接收到的第一信息中的第一终端信息转发至信息接入点。

另外，上述第一信息中还可以进一步包括距离相关信息；其中，距离相关信息为与当前第一终端与信息接入点之间的距离相关的信息。相应的，上述任务确定模块，也可以具体用于当第二终端接收到第一信息，则利用位于第一信息中的距离相关信息，判断是否需要第二终端将接收到的第一信息中的第一终端信息转发至信息接入点。

关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

可见，本发明实施例在信息接入点分别与第一终端和第二终端进行信息通信的过程中，会在第一终端获取到的射频能量的支持下，以广播形式向外界发送包含第一终端信息的第一信息，接着，当第二终端接收到第一信息之后，将会判断是否需要第二终端将接收到的第一信息中的第一终端信息转发至信息接入点，如果需要，则在第二终端获取到的射频能量的支持下，向信息接入点依次发送第一终端信息以及包含第二终端信息的第二信息，由此提高了第一终端与信息接入点之间的信息通信成功率。也即，本发明实施例能够提高通信设备终端与信息接入点之间信息通信的成功率。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种无线供电通信方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。