复用无线能量传输的反向散射协作通信方法、网络及无线设备与流程

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种复用无线能量传输的反向散射协作通信方法、网络及其无线设备。

背景技术：

无线携能通信网络是一种新兴的无线通信架构，是一种把目前的无线能量传输(wirelesspowertransfer,wpt)与无线信息传输(wirelessinformationtransmission,wit)相结合的产物。在该网络中所有用户被假设没有其他外来的能源供给，所有能量都来自于从能量塔传输来的能量信号，该信号通过依附在各个接收器中的转换电路转变为直流信号后存储在用户自身携带的可充电电池中，待用户有通信需求时再作为能源应用于其自身的信息通信中。

然而，现有的无线携能通信网络存在如下缺陷：不同位置的用户存在明显的不公平性、通信中较高的能量和时间开销、通信的不可控性和不稳定性以及距离受到限制。

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，提供一种能够克服无线携能通信网络中高能量、时间损耗和用户公平性差等固有的技术问题，能够有效地延长无线器件的运行时间，提高网络整体的性能和用户公平性的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法、网络及其无线设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种复用无线能量传输的反向散射协作通信方法，包括：

s1、构造包括至少一个能量节点、至少一个信息节点以及至少两个无线设备的无线携能通信网络；

s2、在第一时隙，对所述能量节点、所述信息节点和所述无线设备进行信道训练；

s3、在第二时隙，所述能量节点向所述无线设备传输能量信号，所述无线设备接收并存储所述能量信号；

s4、在第三时隙，两个所述无线设备对所述能量信号进行相互反向散射；

s5、在第四时隙，两个所述无线设备将信息信号协同传输到所述信息节点。

在本发明所述的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法中，所述步骤s2进一步包括：

s21、所述能量节点在自己的子频道上发送能量节点信道训练序列；

s22、每个所述无线设备独立估计自己的子信道增益并分别发送无线设备信号训练序列；

s23、所述信息节点基于所述无线设备信号训练序列获得其自身与每个所述无线设备之间的信道估计。

3、根据权利要求1所述的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法，其特征在于，所述步骤s3进一步包括：所述能量节点同时向至少两个所述无线设备传输能量信号，每个所述无线设备接收所述能量信号，并将所述能量信号转换成直流电能以存储在其自身的充电电池中。

在本发明所述的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法中，所述步骤s4进一步包括：

s41、在第三时隙的第一小时隙中，第一无线设备反向散射所述能量信号到第二无线设备，所述第二无线设备接收反向散射的能量信号并将其中的一部分转换成直流电能以存储在其自身的充电电池中；

s42、在第三时隙的第二小时隙中，第二无线设备反向散射所述能量信号到第一无线设备，所述第一无线设备接收反向散射的能量信号并将其中的一部分转换成直流电能以存储在其自身的充电电池中。

在本发明所述的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法中，在所述步骤s5中，两个所述无线设备通过alamouti空时编码将信息信号协同传输到所述信息节点。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种无线通信设备，包括：

天线，用于接收或发送能量信号或信息信号；

射频通信电路，用于与所述天线电连接以接收或发送所述信息信号；

能量吸收电路，用于所述天线电连接以接收或发送所述能量信号并与将所述能量信号转换成直流电能；

反向散射电路，用于连接所述天线和所述能量吸收电路以反向散射所述能量信号；

可充电电池，用于连接所述能量吸收电路以接收所述直流电能以及连接所述射频通信电路和所述反向散射电路以向所述射频通信电路和所述反向散射电路提供所述直流电能；

切换装置，用于在所述射频通信电路、所述能量吸收电路和所述反向散射电路与所述天线间进行切换。

在本发明所述的无线通信设备中，所述切换装置包括：第一切换开关和第二切换开关；所述第一切换开关的定触点连接所述天线，第一动触点连接所述射频通信电路、第二动触点连接所述能量吸收电路；所述第二切换开关的定触点连接所述第一切换开关的所述第二动触点和所述能量吸收电路、动触点连接所述反向散射电路。

在本发明所述的无线通信设备中，所述反向散射电路进一步包括用于接收反向散射的所述能量信号并将接收的反向散射的能量信号并将其中的一部分转换成直流电能并传送给所述可充电电池的反向散射接收机，用于反向散射所述能量信号的反向散射发射机，以及第三切换开关；所述第三切换开关的定触点连接所述反向散射接收机和所述切换装置、第二动触点空置、第一动触点连接所述反向散射发射机。

在本发明所述的无线通信设备中，进一步包括功率分配器，所述功率分配器用于将所述能量信号裂解成两个部分，其中一个部分用于反向散射，另一部分用于能量吸收。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种复用无线能量传输的反向散射协作通信网络，包括至少能量节点、至少一个信息节点、至少两个所述的无线设备，以及控制装置，所述控制装置上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述控制装置执行时实现所述的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法。

实施本发明的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法、网络及其无线设备，不同位置的用户存在明显的不公平性、通信中较高的能量和时间开销、通信的不可控性和不稳定性以及距离受到限制。

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是本发明的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法的第一实施例的流程图；

图2是本发明的复用无线能量传输的反向散射协作通信网络的第一实施例的模型示意图；

图3是本发明的无线设备的第一实施例的电路示意图；

图4是本发明的复用无线能量传输的反向散射协作通信网络中使用功率分配器的电路原理示意图。

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。

本发明涉及一种复用无线能量传输的反向散射协作通信方法，包括：s1、构造包括至少一个能量节点、至少一个信息节点以及至少两个无线设备的无线携能通信网络；s2、在第一时隙，对所述能量节点、所述信息节点和所述无线设备进行信道训练；s3、在第二时隙，所述能量节点向所述无线设备传输能量信号，所述无线设备接收并存储所述能量信号；s4、在第三时隙，两个所述无线设备对所述能量信号进行相互反向散射；s5、在第四时隙，两个所述无线设备将信息信号协同传输到所述信息节点。本发明还涉及一种无线通信设备，包括：天线，用于接收或发送能量信号或信息信号；射频通信电路，用于与所述天线电连接以接收或发送所述信息信号；能量吸收电路，用于所述天线电连接以接收或发送所述能量信号并与将所述能量信号转换成直流电能；反向散射电路，用于连接所述天线和所述能量吸收电路以反向散射所述能量信号；可充电电池，用于连接所述能量吸收电路以接收所述直流电能以及连接所述射频通信电路和所述反向散射电路以向所述射频通信电路和所述反向散射电路提供所述直流电能；切换装置，用于在所述射频通信电路、所述能量吸收电路和所述反向散射电路与所述天线间进行切换。本发明还涉及一种复用无线能量传输的反向散射协作通信网络，包括至少能量节点、至少一个信息节点、至少两个所述的无线设备，以及控制装置，所述控制装置上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述控制装置执行时实现所述的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法。实施本发明的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法、网络及其无线设备，不同位置的用户存在明显的不公平性、通信中较高的能量和时间开销、通信的不可控性和不稳定性以及距离受到限制。

图1是本发明的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法的第一实施例的流程图。如图1所示，在步骤s1中，构造包括至少一个能量节点、至少一个信息节点以及至少两个无线设备的无线携能通信网络。本领域技术人员知悉，该无线携能通信网络还可以包括其他数量的能量节点、信息节点以及和无线设备。图2示出了优选的复用无线能量传输的反向散射协作通信网络的模型示意图。

在步骤s2中，在第一时隙，对所述能量节点、所述信息节点和所述无线设备进行信道训练。在本发明的优选实施例中，所述步骤s2进一步包括：s21、所述能量节点在自己的子频道上发送能量节点信道训练序列；s22、每个所述无线设备独立估计自己的子信道增益并分别发送无线设备信号训练序列；s23、所述信息节点基于所述无线设备信号训练序列获得其自身与每个所述无线设备之间的信道估计。

在步骤s3中，在第二时隙，所述能量节点向所述无线设备传输能量信号，所述无线设备接收并存储所述能量信号。在本发明的优选实施例中，所述步骤s3进一步包括：所述能量节点同时向至少两个所述无线设备传输能量信号，每个所述无线设备接收所述能量信号，并将所述能量信号转换成直流电能以存储在其自身的充电电池中。

在步骤s4中，在第三时隙，两个所述无线设备对所述能量信号进行相互反向散射。在本发明的优选实施例中，所述第三时隙分为两个小时隙。在本发明的其他优选实施例中，当具有多个无线设备时，所述第三时隙可以分为多个时隙。其原理与两个无线设备时类似，在此就不再累述了。在本发明的优选实施例中，所述步骤s4进一步包括：s41、在第三时隙的第一小时隙中，第一无线设备反向散射所述能量信号到第二无线设备，所述第二无线设备接收反向散射的能量信号并将其中的一部分转换成直流电能以存储在其自身的充电电池中；s42、在第三时隙的第二小时隙中，第二无线设备反向散射所述能量信号到第一无线设备，所述第一无线设备接收反向散射的能量信号并将其中的一部分转换成直流电能以存储在其自身的充电电池中。

在步骤s5中，在第四时隙，两个所述无线设备将信息信号协同传输到所述信息节点。在本发明的优选实施例中，两个所述无线设备通过alamouti空时编码将信息信号协同传输到所述信息节点。

实施本发明的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法，不同位置的用户存在明显的不公平性、通信中较高的能量和时间开销、通信的不可控性和不稳定性以及距离受到限制。

下面将结合图2所示实施例，对本发明的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法和网络进一步说明如下。如图2所示，该复用无线能量传输的反向散射协作通信网络包括一个能量节点(en)，一个信息节点(ap)和两个无线设备(wd)，其原理可以直接拓展到大于两个无线设备wd1和wd2的应用场景。在该示意图中，信息信号用下标a来表示，能量信号用下标e来表示，反向散射用虚线表示。在本实施例中，每个时隙t被分为四个时隙，t0、t1、t2、t3。

在第一个时隙t0，进行信道训练。能量节点en在自己分配到的子频段上使用通信模块发送信道训练序列，两个无线设备wd1和wd2使用通信模块独立地估计自己的n个子信道增益，同时每个无线设备wd1和wd2也发送信道训练序列，使得信息节点ap能通过通信模块获得与每个无线设备wd1和wd2之间的信道估计。

在第二个时隙t1，进行能量传输。能量节点en同时向两个无线设备wd1、wd2传输能量信号，无线设备wd1和wd2在接收到来自能量节点en的能量信号后，通过其内部的转换电路将信号变为直流能量并存储到其自身的充电电池中。

在第三个时隙t2进行反向散射。在这个时隙t2，其分为两个小时隙t21和t22，其中在第一个小时隙t21，无线设备wd1向无线设备wd2进行反向散射传输，通过反射来自于能量节点en的能量信号传递信息，此时无线设备wd2在接收反向散射信息的同时也接收来自于能量节点en的能量信号并将一部分作为能量转化到自身的可充电电池中。在第二个小时隙t22，无线设备wd2向无线设备wd1进行反向散射传输，通过反射来自于能量节点en的能量信号传递信息，此时无线设备wd1在接收反向散射信息的同时也接收来自于能量节点en的能量信号并将一部分作为能量转化到自身的可充电电池中。

在第四个时隙t3进行协同传输。在这个时隙t3，其也可以分为两个小时隙t31和t32。在经过反向散射阶段后，每个无线设备wd都拥有了另一个无线设备wd的一部分信息，此时两个无线设备wd1和wd2将利用alamouti空时编码方案来进行协同传输到信息节点ap。在第一个小时隙t31和第二个小时隙t32，无线设备wd1和wd2均可以利用alamouti空时编码方案来进行协同传输到信息节点ap。

实施本发明的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法、网络，不同位置的用户存在明显的不公平性、通信中较高的能量和时间开销、通信的不可控性和不稳定性以及距离受到限制。

图3是本发明的无线设备的第一实施例的电路示意图。图3所示的无线设备可以应用到图1-2所示的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法、网络中。如图3所示，该无线设备包括天线10、射频通信电路20、能量吸收电路30、反向散射电路40、可充电电池50和切换装置。如图所示，所述天线10用于接收或发送能量信号或信息信号。所述射频通信电路20用于与所述天线10电连接以接收或发送所述信息信号。所述能量吸收电路30用于所述天线10电连接以接收或发送所述能量信号并与将所述能量信号转换成直流电能。所述反向散射电路40用于连接所述天线10和所述能量吸收电路30以反向散射所述能量信号。所述可充电电池50用于连接所述能量吸收电路30以接收所述直流电能以及连接所述射频通信电路20和所述反向散射电路40以向所述射频通信电路20和所述反向散射电路40提供所述直流电能。所述切换装置用于在所述射频通信电路20、所述能量吸收电路30和所述反向散射电路40与所述天线10间进行切换。

进一步如图所示，所述切换装置包括：切换开关s1和切换开关s2；所述切换开关s1的定触点连接所述天线10，第一动触点连接所述射频通信电路20、第二动触点连接所述能量吸收电路30；所述切换开关s2的定触点连接所述切换开关s1的所述第二动触点和所述能量吸收电路30、动触点连接所述反向散射电路40。所述反向散射电路40进一步包括用于接收反向散射的所述能量信号并将接收的反向散射的能量信号并将其中的一部分转换成直流电能并传送给所述可充电电池50的反向散射接收机41，用于反向散射所述能量信号的反向散射发射机42，以及切换开关s3；所述切换开关s3的定触点连接所述反向散射接收机和所述切换装置、第二动触点空置、第一动触点连接所述反向散射发射机42。

在本实施例中，每个无线设备分别拥有三种不同的工作模式，通过三个切换开关s1-s3的切换来实现电路功能的切换，具体为：

射频信号通信模式：切换开关s1切换到0，此时天线10与射频通信电路20连接，无线设备可以通过传统的射频无线通信方法实现信息的传输。

能量吸收模式：切换开关s1切换到1，且切换开关s2保持打开状态，此时天线10与能量吸收电路30连接，其内部的电路可以将吸收到的射频信号转化为直流能量，并存储到可充电电池50中。

反向散射通信模式：切换开关s1切换到1，且切换开关s2保持关闭状态，此时天线10同时与能量吸收电路30和反向散射电路40连接，无线设备通过被动的反射来自能量节点en的信号实现信息的传输。特别的，在切换开关s3切换到0时，将吸收大部分的接收信号，即发送了一个“0”比特；反之，在切换开关s3切换到1时，发送了一个“1”比特。

在图4所示的优选实施例中，在反向散射通信模式中，每个无线设备都可以同时的进行能量吸收和反向散射，这得益于功率分配器在本系统中的使用，所述功率分配器用于将所述能量信号裂解成两个部分，其中一个部分用于反向散射，另一部分用于能量吸收。其中用于反向散射通信的占(1-β)，其余的β则被用于能量吸收。通常，β的数值可以由实际的接收信号功率来进行调整。本领域技术人员可以根据实际需要进行现相关调整。

实施本发明的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法、网络及其无线设备，不同位置的用户存在明显的不公平性、通信中较高的能量和时间开销、通信的不可控性和不稳定性以及距离受到限制。

下面对本发明的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法、网络及其无线设备的能效衡量模型进行分析如下。

对于本方法提出的反向散射协作通信方法、网络。在时间分配协议上，我们设t为一个时隙所占用的时间(不失一般性的设为1)，其中t满足：

t0+t1+t21+t22+t31+t32＝t.

特别的如前所述，t21和t22分别代表了反向散射通信阶段两个无线设备wd1、wd2的时间，而t31和t32则分别表示在协同传输过程用于传输无线设备wd1、wd2的信息所耗费的时间。

在第二阶段，每台无线设备wd1、wd2都从能量节点en处吸收能量，其总体吸收的能量可以表示为：

p0代表了能量节点en的信号发射功率，η表示无线设备wd1、wd2上的能量吸收效率(假设不同无线设备wd1、wd2上的吸收效率相同)，而hij则代表不同传输信道的信道增益系数。

在第三阶段，每台无线设备wd1、wd2同时完成了反向散射信息传输和能量吸收两个过程，以无线设备wd2为例，其接收端的信号可以表示为：

其中，x(t)为能量节点en发射的信号，b为一个非0即1的常数，其值决定于反向散射的比特为0还是为1，αij代表信道增益的平方根，μ表示反向散射的反射效率，而代表该阶段的噪声信号。由于信号在此阶段会被分裂为两部分，其中用于能量吸收的部分为β，因此在该阶段无线设备所吸收到的总能量可以写作：

在第四阶段，无线设备wd1、wd2通过空时编码进行协同传输。出于简单考虑，本方法中假设每个无线设备wd1、wd2在第四阶段耗尽了所有之前阶段吸收的能量，因此设备在此阶段的传输功率可以很容易的表示为：

因在第四阶段，无线设备wd1、wd2的通信方法为传统的射频通信方法，所以由其通信功率，我们可以根据通信原理算得该阶段的通信速度为：

特别的，由于alamouti空时编码特性，该阶段不同无线设备wd1、wd2的传输速度是相同的，即r1⁽³⁾(t)＝r2⁽³⁾(t)。

此外，在反向散射阶段，其通信信道可以被模拟为一个二进制对称信道(bsc)，在具备最优能量检测器的无线设备上，通信的比特误码率可以写作：

其中和分别代表传输噪声和电路噪声的方差。

在本方法中，我们着眼于最大化每个设备的平衡吞吐量来实现系统性能的整体最佳化。具体来说，通过优化一个时隙内每个过程的时间分配，我们可以获得一个最佳的能量吸收和消耗模式，即最大的系统平均吞吐量。每个无线设备的通信速度都由两部分构成，我们定义其平衡速度为：

其中ri⁽²⁾(t)表示在反向散射传输阶段设备i的传输速率，ri⁽³⁾(t)表示在协同传输阶段设备i的传输速率。

因此，本方法的优化目标为最大化每个无线设备所有传输速率中的最小速率，以此保证每台无线设备的通信效能。该优化问题可写作：

t.t0+t1+t21+t22+t31+t32＝1，

t1，t21，t22，t31，t32≥0，

其中r1⁽³⁾(t)和r2⁽³⁾(t)都是凸函数，r1⁽²⁾(t)和r2⁽²⁾(t)所代表的反向散射通信速度取决于设备的反向散射电路的开关切换速度，在本方法中假设为常数，而另外的两个限制条件均为仿射的，所以该优化问题为传统的凸优化问题，并且可以通过现成的优化算法得以计算。

因此，本发明的复用无线能量传输的反向散射协作通信方法、网络及其无线设备通过在反向散射通信阶段复用能量传输，提高了整体的能量吸收总量，使得在后面的信息传输阶段中无线设备能获得更高的传输速率，进而提升系统的整体性能；在协作通信过程中，基于反向散射的通信方式能够充分利用上其低功耗和电路结构简单的特点，解决了传统协作通信中高额的能量和时间开销问题，有效的降低了系统的整体无效开销；经过初步仿真性能评估，相比于传统的协作通信技术，本方法在克服用户公平性问题的基础上，网络的整体系统性能能够提升超过10％以上。

因此，本发明可以通过硬件、软件或者软、硬件结合来实现。本发明可以在至少一个计算机系统中以集中方式实现，或者由分布在几个互连的计算机系统中的不同部分以分散方式实现。任何可以实现本发明方法的计算机系统或其它设备都是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的通用计算机系统，通过安装和执行程序控制计算机系统，使其按本发明方法运行。

本发明还可以通过计算机程序产品进行实施，程序包含能够实现本发明方法的全部特征，当其安装到计算机系统中时，可以实现本发明的方法。本文件中的计算机程序所指的是：可以采用任何程序语言、代码或符号编写的一组指令的任何表达式，该指令组使系统具有信息处理能力，以直接实现特定功能，或在进行下述一个或两个步骤之后实现特定功能：a)转换成其它语言、编码或符号；b)以不同的格式再现。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。