一种基于智能反射面的多天线无线能量传输系统与方法与流程

本申请涉及计算机技术领域，更具体地说，涉及一种无线能量传输方法、装置、系统及一种能量发送机和一种计算机可读存储介质。

背景技术：

随着第5代移动通信(5g)通信以及未来后5g的发展，物联网的应用与人们的生活将越来越密切，手机、平板电脑、蓝牙耳机等大量能量发送机对便携充电的需求会越来越强烈。

基于射频的无线能量传输技术以其移动性、便携性、较远的传输距离等特点得到人们的持续关注。然而，由于无线信道特性，能量发送机的能量信号在传输过程中会产生很大的衰落，使得能量接收机所接收到的无线能量过小。另外，在能量信号的传输过程中，由于遮挡物的存在，能量信号可能被遮挡甚至无法传送到能量接收机。这些现象导致了能量接收机处所收集能量过小、转化效率低以及覆盖范围小等问题。

因此，如何提高无线能量传输效率和覆盖范围是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种无线能量传输方法、装置、系统及一种能量发送机和一种计算机可读存储介质，提高了无线能量传输效率和覆盖范围。

为实现上述目的，本申请提供了一种无线能量传输方法，应用于能量发送机，包括：

获取信道状态信息；

根据所述信道状态信息计算波束成型矢量和智能反射面的反射参数；

根据所述波束成型矢量发送能量信号，并将所述反射参数发送至所述智能反射面，以便所述智能反射面根据所述反射参数调节反射阵列；

其中，所述智能反射面包括多个所述反射阵列，所述能量发送机发送的所述能量信号直射至能量接收机、并通过所述智能反射面反射至所述能量接收机。

其中，所述反射参数包括幅度和辐角。

其中，所述根据所述信道状态信息计算波束成型矢量和智能反射面的反射参数，包括：

初始化精度、反射参数和第一目标参数；

根据所述信道状态信息计算波束成型矩阵，并根据所述波束成型矩阵和所述信道状态信息计算反射相位系数和第二目标参数；

根据所述反射相位系数更新所述反射参数；

判断所述第二目标参数与所述第一目标参数的差值是否小于所述精度；若否，则重新进入所述根据所述信道状态信息计算波束成型矩阵的步骤。

其中，所述根据所述反射相位系数更新所述反射参数，包括：

若rank(φ⁽ⁿ⁺¹⁾)≤1，则其中，φ⁽ⁿ⁺¹⁾为所述反射相位系数，θ⁽ⁿ⁺¹⁾为所述反射参数，σ1⁽ⁿ⁺¹⁾为φ⁽ⁿ⁺¹⁾的特征值，u1⁽ⁿ⁺¹⁾为所述特征值对应的特征向量，n为预设值；

若rank(φ⁽ⁿ⁺¹⁾)＞1，则其中，u为φ⁽ⁿ⁺¹⁾的n+1阶酉矩阵，σ为φ⁽ⁿ⁺¹⁾的n+1阶对角阵，r为服从均值为0、协方差矩阵为范围阵的n+1阶循环对称复高斯随机向量。

为实现上述目的，本申请提供了一种无线能量传输装置，应用于能量发送机，包括：

获取模块，用于获取信道状态信息；

计算模块，用于根据所述信道状态信息计算波束成型矢量和智能反射面的反射参数；

发送模块，用于根据所述波束成型矢量发送能量信号，并将所述反射参数发送至所述智能反射面，以便所述智能反射面根据所述反射参数调节反射阵列；

其中，所述智能反射面包括多个所述反射阵列，所述能量发送机发送的所述能量信号通过所述智能反射面传输至能量接收机。

其中，所述计算模块包括：

初始化单元，用于初始化精度、反射参数和第一目标参数；

计算单元，用于根据所述信道状态信息计算波束成型矩阵，并根据所述波束成型矩阵和所述信道状态信息计算反射相位系数和第二目标参数；

更新单元，用于根据所述反射相位系数更新所述反射参数；

判断单元，用于判断所述第二目标参数与所述第一目标参数的差值是否小于所述精度；若否，则重新启动所述计算单元的工作流程。

为实现上述目的，本申请提供了一种能量发送机，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述无线能量传输方法的步骤。

为实现上述目的，本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述无线能量传输方法的步骤。

为实现上述目的，本申请提供了一种智能反射面，包括多个反射阵列和控制器；

所述控制器，用于接收反射参数，并根据所述反射参数调节所述反射阵列；

所述反射阵列，用于将所述能量发送机发送的能量信号反射至能量接收机。

为实现上述目的，本申请提供了一种无线能量传输系统，包括：

如上述能量发送机；

如上述智能反射面；

用于接收所述能量发送机直射的能量信号和所述智能反射面反射的能量信号的能量接收机。

通过以上方案可知，本申请提供的一种无线能量传输方法，包括：获取信道状态信息；根据所述信道状态信息计算波束成型矢量和智能反射面的反射参数；根据所述波束成型矢量发送能量信号，并将所述反射参数发送至所述智能反射面，以便所述智能反射面根据所述反射参数调节反射阵列；其中，所述智能反射面包括多个所述反射阵列，所述能量发送机发送的所述能量信号直射至能量接收机、并通过所述智能反射面反射至所述能量接收机。

在本申请中，在能量发送机和能量接收机之间加入了智能反射面，通过智能反射面对能量发送机发出的无线能量信号进行反思，增加有效的信号，从而增加能量接收机的接收能量信号强度。当能量接收机与能量发送机距离较远且有遮挡物，能更加有效地解决信道快速衰落、覆盖面积小等问题，通过调整波束成型和反射参数来提高能量转化效率和覆盖范围。本申请还公开了一种无线能量传输装置、系统及一种能量发送机和一种计算机可读存储介质，同样能实现上述技术效果。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1为根据一示例性实施例示出的一种无线能量传输系统的架构图；

图2为根据一示例性实施例示出的一种无线能量传输方法的流程图；

图3为根据一示例性实施例示出的另一种无线能量传输方法的流程图；

图4为能量接收机中收集的最小能量和能量发送机与能量接收机距离的关系曲线图；

图5为智能反射面中的反射阵列数目和能量接收机中收集的最小能量的关系曲线图；

图6为根据一示例性实施例示出的一种无线能量传输装置的结构图；

图7为根据一示例性实施例示出的一种能量发送机的结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了便于理解，首先对本申请提供的无线能量传输方法，下面对其应用的无线能量传输系统进行介绍。参见图1，其示出了本申请实施例提供的一种无线能量传输系统的架构图，如图1所示，包括能量发送机10、智能反射面20和k个能量接收机30。

其中，能量发送机10由m根天线组成，与智能反射面20和能量接收机30进行通信，估计各个信道，获取信道状态信息。根据信道状态信息计算最优的波束成型矢量和智能反射面的反射相位、幅度等参数，根据计算的波束成型矢量发送能量信号。

智能反射面20包括n个反射阵列和控制器，这些反射阵列是由价格低廉的电感、电阻、变容二极管和基底组成，用于将所述能量发送机10发送的能量信号反射至能量接收机30。控制器，用于接收反射参数，并根据所述反射参数调节所述反射阵列，具体的可以通过控制可变电容的容抗调节反射阵列的反射参数，从而改变反射信号的相位和幅度。

能量接收机30用于接收所述能量发送机10直射的能量信号和所述智能反射面20反射的能量信号。

本申请实施例公开了一种无线能量传输方法，提高了无线能量传输效率和覆盖范围。

参见图2，根据一示例性实施例示出的一种无线能量传输方法的流程图，如图2所示，包括：

s101：获取信道状态信息；

本实施例的执行主体为上述无线能量传输系统中的能量发送机。在本步骤中，能量发送机与智能反射面和能量接收机进行通信，对所有信道状态信息进行估计。

假设能量接收机为单天线，且系统中共有k个能量接收机，设集合kε＝{1,2,...,k}，所有信道状态信息包括能量发送机到能量接收机之间的信道状态信息矩阵能量发送机到智能反射面之间的信道状态信息矩阵t、智能反射面到能量接收机之间的信道状态信息矩阵(k＝1,...,k)。下标d(direct)指示此信道矩阵为直射信道，r(reflect)指示此信道为反射信道，上标h表示共轭转置。

s102：根据所述信道状态信息计算波束成型矢量和智能反射面的反射参数；

在本步骤中，能量发送机根据所有信道状态信息制定能量波束成型矢量v1,v2,...,vk和智能反射面中反射阵列的反射参数其中，θi∈[0,2π](i∈{1,...,n})是反射参数中的辐角，βi(i∈{1,...,n})是反射参数中的幅度，这里假定βi＝1。对于波束成型矩阵其最大发送功率限制为tr(we)≤p，其中，p为最大发射功率。则第k个能量接收机接收到的能量为

s103：根据所述波束成型矢量发送能量信号，并将所述反射参数发送至所述智能反射面，以便所述智能反射面根据所述反射参数调节反射阵列；

其中，所述智能反射面包括多个所述反射阵列，所述能量发送机发送的所述能量信号直射至能量接收机、并通过所述智能反射面反射至所述能量接收机。

在本步骤中，能量发送机根据制定的能量波束发送能量信号，智能反射面根据制定的阵列参数反射能量信号，能量接收机接收智能反射面反射的能量信号和能量发送机直射的能量信号。

在本申请实施例中，在能量发送机和能量接收机之间加入了智能反射面，通过智能反射面对能量发送机发出的无线能量信号进行反射，增加有效的信号，从而增加能量接收机的接收能量信号强度。当能量接收机与能量发送机距离较远且有遮挡物，能更加有效地解决信道快速衰落、覆盖面积小等问题，通过调整波束成型和反射参数来提高能量转化效率和覆盖范围。

本申请实施例公开了一种无线能量传输方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的：

参见图3，根据一示例性实施例示出的另一种无线能量传输方法的流程图，如图3所示，包括：

s201：获取信道状态信息；

s202：初始化精度、反射参数和第一目标参数；

在本步骤中，初始化精度ε＝1×10^-3，反射参数的迭代初始值θ⁽⁰⁾＝0，n＝0，第一目标参数d＝0。

s203：根据所述信道状态信息计算波束成型矩阵，并根据所述波束成型矩阵和所述信道状态信息计算反射相位系数和第二目标参数；

在具体实施中，能量发送机制定能量波束成型和反射阵列的反射参数时，目的是最大化所有能量接收机中接收能量的最小值，其所刻画的数学优化问题可以表示为：

由于目标函数是关于反射阵列参数θ和一组波束成型向量{vj}的联合最大化最小值函数，所以该问题不是凸优化问题，可以利用交替迭代的优化方法来解决该问题。首先，固定反射阵列的反射参数θ，优化波束成型向量组{vj}，然后，利用所得到的波束成型向量组{vj}来求解反射阵列的反射参数θ，循环迭代，直到目标函数值收敛到一定范围为止。具体求解过程如下：

将问题(p1)等价变换成上境图形式。在固定的反射阵列的反射参数θ下，设直射路径和反射路径的合并信道矩阵为则问题(p1)等价为：

由于(p1.1)存在非凸约束rank(we)＝min{m,k}，所以也不是凸优化问题，接着运用半正定松驰(sdr)来去掉秩约束，使其成为如下的凸优化问题：

可以看出(sdr1.1)是一个半正定规划问题，可以用专业的软件工具cvx求解。

然后利用求得的波束成型矩阵we，来优化变量反射面的反射阵列参数θ。为了方便求解，对(p1)作如下的等价变换：

令ak,j是一个n+1阶矩阵，为一个n+1阶向量，其中l为引入的新标量元素，其约束为l²＝1，对为变量求解得到的结果的前n项组成的向量就是反射阵型参数θ的对角线元素组成的向量即diag(·)为对角阵，[·](1:n)为取前n项元素的向量。令的协方差矩阵为固定波束成型矩阵we，(p1)经过以上变量替换和等价变换为上境图形式后为：

其中，φn,n为矩阵φ的第n行第n列的元素，其值对应于第n个辐角的约束0≤θn≤2π。同样地，由于(p1.2)存在rank(φ)＝1的非凸的秩约束，所以也不是凸优化问题，相同的，运用半正定松驰法(sdr)来去掉秩约束，使之成为半正定规划问题，如下：

可以用专业软件工具cvx来求解。

在本步骤中，在给定θ⁽ⁿ⁾下，用cvx解问题(sdr1.1)得到波束成型矩阵将对角化，w＝[w1,w2,...,wm]，则利用以及各信道状态信息求出ak,j、bk,j和ak,j。用cvx解问题(sdr1.2)得到反射相位系数φ⁽ⁿ⁺¹⁾和第二目标参数t⁽ⁿ⁺¹⁾。

s204：根据所述反射相位系数更新所述反射参数；

在本步骤中，若rank(φ⁽ⁿ⁺¹⁾)≤1，则其中，φ⁽ⁿ⁺¹⁾为所述反射相位系数，θ⁽ⁿ⁺¹⁾为所述反射参数，σ1⁽ⁿ⁺¹⁾为φ⁽ⁿ⁺¹⁾的特征值，u1⁽ⁿ⁺¹⁾为所述特征值对应的特征向量，n为预设值；即取前n个元素的辐角。

若rank(φ⁽ⁿ⁺¹⁾)＞1，则其中，u为φ⁽ⁿ⁺¹⁾的n+1阶酉矩阵，σ为φ⁽ⁿ⁺¹⁾的n+1阶对角阵，r为服从均值为0、协方差矩阵为范围阵的n+1阶循环对称复高斯随机向量。令r取值100次，取能使函数最大的一个r值，求得

s205：判断所述第二目标参数与所述第一目标参数的差值是否小于所述精度；若是，则进入s206；若否，则重新进入s203。

在本步骤中，若t⁽ⁿ⁺¹⁾-d＜ε，则进入s206，否则d＝t⁽ⁿ⁺¹⁾，更新θ⁽ⁿ⁾为θ⁽ⁿ⁺¹⁾，重新进入s203。

s206：根据所述波束成型矢量发送能量信号，并将所述反射参数发送至所述智能反射面，以便所述智能反射面根据所述反射参数调节反射阵列。

针对本实施例中的无线能量传输系统的性能仿真和对照试验，图4示出了能量接收机与能量发射机在距离d上从2米至13米的最小接收能量关系。其参数设置为：能量发射机天线数m＝4，能量接收机天线数为l＝4，能量接收机数量k＝4，智能反射面与能量发送机相距15米，能量接收机在它们之间移动，路径衰落模型为：

其中参考距离d0＝1m，c0＝-30db，能量发送机到能量接收机的路径衰落指数αau＝3，能量发射机到智能反射面的路径衰落指数αai＝2，智能反射面到能量接收机的路径衰落指数αiu＝2，设能量发送机到能量接收机之间的信道为瑞利衰落信道，能量发送机到智能反射面与智能反射面到能量接收机之间的信道为莱斯信道，莱斯因子ρ＝3，能量发送机发送功率为p＝10w。与原有结构比较，在加入智能反射面后，能量接收机能获得比没有智能反射的更多的无线能量，特别地，在能量接收机远离能量发送机而靠近智能反射面时，能量接收机能收集到的最小能量有小幅增长，这说明智能反射面能在能量接收机处于能量发送机远端时提高能量传输效率以及传输覆盖范围。

图5仿真了在系统中加入不同数目的反射阵列的智能反射面时，能量接收机收集到的最小能量的情况。其能量接收机固定于能量发送机到智能反射面的直线上，并且距离能量发送机9米，其它参数与图4的仿真相同。可以直观地看出，当反射阵列增加时，能量接收机接收到的无线能量明显增长，更进一步表明，增加反射阵列数量能有效地提高能量传输效率以及传输覆盖范围。

下面对本申请实施例提供的一种无线能量传输装置进行介绍，下文描述的一种无线能量传输装置与上文描述的一种无线能量传输方法可以相互参照。

参见图6，根据一示例性实施例示出的一种无线能量传输装置的结构图，如图6所示，包括：

获取模块601，用于获取信道状态信息；

计算模块602，用于根据所述信道状态信息计算波束成型矢量和智能反射面的反射参数；

发送模块603，用于根据所述波束成型矢量发送能量信号，并将所述反射参数发送至所述智能反射面，以便所述智能反射面根据所述反射参数调节反射阵列；

其中，所述智能反射面包括多个所述反射阵列，所述能量发送机发送的所述能量信号通过所述智能反射面传输至能量接收机。

在本申请实施例中，在能量发送机和能量接收机之间加入了智能反射面，通过智能反射面对能量发送机发出的无线能量信号进行反思，增加有效的信号，从而增加能量接收机的接收能量信号强度。当能量接收机与能量发送机距离较远且有遮挡物，能更加有效地解决信道快速衰落、覆盖面积小等问题，通过调整波束成型和反射参数来提高能量转化效率和覆盖范围。

在上述实施例的基础上，作为一种优选实施方式，所述反射参数包括幅度和辐角。

在上述实施例的基础上，作为一种优选实施方式，所述计算模块602包括：

初始化单元，用于初始化精度、反射参数和第一目标参数；

计算单元，用于根据所述信道状态信息计算波束成型矩阵，并根据所述波束成型矩阵和所述信道状态信息计算反射相位系数和第二目标参数；

更新单元，用于根据所述反射相位系数更新所述反射参数；

判断单元，用于判断所述第二目标参数与所述第一目标参数的差值是否小于所述精度；若否，则重新启动所述计算单元的工作流程。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

本申请还提供了一种能量发送机，参见图7，本申请实施例提供的一种能量发送机700的结构图，如图7所示，可以包括处理器11和存储器12。该能量发送机700还可以包括多媒体组件13，输入/输出(i/o)接口14，以及通信组件15中的一者或多者。

其中，处理器11用于控制该能量发送机700的整体操作，以完成上述的无线能量传输方法中的全部或部分步骤。存储器12用于存储各种类型的数据以支持在该能量发送机700的操作，这些数据例如可以包括用于在该能量发送机700上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据，例如联系人数据、收发的消息、图片、音频、视频等等。该存储器12可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(staticrandomaccessmemory，简称sram)，电可擦除可编程只读存储器(electricallyerasableprogrammableread-onlymemory，简称eeprom)，可擦除可编程只读存储器(erasableprogrammableread-onlymemory，简称eprom)，可编程只读存储器(programmableread-onlymemory，简称prom)，只读存储器(read-onlymemory，简称rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。多媒体组件13可以包括屏幕和音频组件。其中屏幕例如可以是触摸屏，音频组件用于输出和/或输入音频信号。例如，音频组件可以包括一个麦克风，麦克风用于接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器12或通过通信组件15发送。音频组件还包括至少一个扬声器，用于输出音频信号。i/o接口14为处理器11和其他接口模块之间提供接口，上述其他接口模块可以是键盘，鼠标，按钮等。这些按钮可以是虚拟按钮或者实体按钮。通信组件15用于该能量发送机700与其他设备之间进行有线或无线通信。无线通信，例如wi-fi，蓝牙，近场通信(nearfieldcommunication，简称nfc)，2g、3g或4g，或它们中的一种或几种的组合，因此相应的该通信组件15可以包括：wi-fi模块，蓝牙模块，nfc模块。

在一示例性实施例中，能量发送机700可以被一个或多个应用专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，简称dsp)、数字信号处理设备(digitalsignalprocessingdevice，简称dspd)、可编程逻辑器件(programmablelogicdevice，简称pld)、现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，简称fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的无线能量传输方法。

在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述无线能量传输方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器12，上述程序指令可由能量发送机700的处理器11执行以完成上述的无线能量传输方法。

本申请还提供了一种智能反射面，包括多个反射阵列和控制器；

所述控制器，用于接收反射参数，并根据所述反射参数调节所述反射阵列；

所述反射阵列，用于将所述能量发送机发送的能量信号反射至能量接收机。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，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。