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CN106656286B - 在无线供能网络中基于mimo传输技术的能量传输系统 - Google Patents

在无线供能网络中基于mimo传输技术的能量传输系统 Download PDF

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CN106656286B CN201610990522.XA CN201610990522A CN106656286B CN 106656286 B CN106656286 B CN 106656286B CN 201610990522 A CN201610990522 A CN 201610990522A CN 106656286 B CN106656286 B CN 106656286B
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    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
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Abstract

本发明公开了一种在无线功能网络中基于MIMO传输技术的能量传输系统，系统包括网络中大规模随机分布的能量信标，接收能量信号的无线终端，以及第i个能量信标与该无线终端之间的传输矩阵Hi。利用多天线系统引入的信道多样性，通过对传输矩阵Hi的特征值分解，采取波束成形方式传输携能射频信号，在大规模能量信标呈泊松点过程分布的场景中，相比于现有的单天线能量传输网络，通过增加终端的天线数提高系统的能量采集效率，从而指出系统中各个参数对于能量采集效率的影响，为实际系统部署中的参数配置提供支撑。

Description

在无线供能网络中基于MIMO传输技术的能量传输系统
技术领域
本发明涉及一种在无线供能网络中基于MIMO传输技术的能量传输系统，属于无线通信传输中的能量收集技术领域。
背景技术
射频信号能量收集技术被认为是下一代5G移动通信网络中的一项关键技术。该技术不仅能够利用射频信号传输信息，也可以通过射频信号无线传输能量。运用该技术，无线终端无需连接电源进行有线供电，通过终端中的整流电路将接收到的射频信号转换为直流电，并且将电能存储在可充电电池或者双电层电容器(超级电容)中，从而利用收集到的电能进行信号处理与传输。无线通信网络中，无线终端先利用射频信号能量收集技术采集能量，再利用存储的能量进行无线信号传输，该网络系统被称为无线供能系统。
无线供能系统中，为了使终端能够稳定得收集到足够的能量，需要在网络中部署一种专用能量信标(Power beacon,简称PB)，PB无需连接网络的回程链路，部署成本较低，因此易于被大规模密集部署。无线终端可以接收到多个PB的传输信号，并且可以将收集到的能量相加并存储。
目前，一种无线供能网络中大规模部署PB的能量传输方案被提出，通过将每个PB独立随机地分布在一定区域内，一定区域内的PB数量符合泊松分布，PB的位置信息就可以用随机几何论中的泊松点过程描述(Poisson Point Process,简称PPP)，从而可以计算得出无线终端在此模型中可以收集到的能量(也称为能量采集效率)的期望值。然而在上述能量传输方案中，PB与无线终端均部署了一根天线，所以没有充分利用到点对点传输中的多路信道的多样性。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在无线供能网络中基于MIMO传输技术的能量传输系统，既可以显著地提升网络的能量采集效率，也可以给出能量采集效率的解析解，从而揭示出各网络参数对于能量采集效率的影响，为系统的实际部署提供指导。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种在无线供能网络中基于MIMO传输技术的能量传输系统，其特征是，包括无线供能网络中大规模随机分布的能量信标PB、接收能量信号的无线终端S和连接第i个能量信标与无线终端的MIMO信道；所述MIMO信道的传输矩阵为Hi；其中，所述每个能量信标的天线数目相同均为np，无线终端的天线数目为ns，其中np≥1，ns≥1；所述能量信标与无线终端均能够获取完整的传输矩阵Hi；
所述第i个能量信标将准备传输的能量信号x映射到Vi向量上形成能量信号Vix，其中，Vi为传输矩阵Hi奇异值分解后的右奇异向量；
所述能量信号Vix经过MIMO信道后，被送至无线终端，形成信号HiVix；
所述无线终端利用传输矩阵Hi的左奇异向量Ui，将接收到的信号HiVix映射到Ui上，得到被处理后的接收信号为UiHiVix；
所述无线终端接收到的能量信号为μ∑i∈ΦPri -α(UiHiVix)2，无线终端端的能量采集效率为E＝μ∑i∈ΦPri -αλi示传输矩阵Hi的特征值，其中，Φ表示所有能量信标的集合，μ表示无线终端整流电路的射频信号-直流信号转换效率，P表示能量信标的发射功率，ri表示从第i个能量信标到无线终端的几何距离，α为路径损耗系数，且
Figure GDA0002278969340000021
进一步地，所述能量信标呈泊松分布。
本发明所达到的有益效果：与现有单天线能量传输方法对比，按照上述方案传输能量信号时，利用了PB端至S端MIMO信道的空间分集特性，采用波束成形方式传输能量信号，使得在S端的信号具有最高的信噪比，可以提高整个网络中能量的传输效率。
附图说明
图1是本发明中无线自供能系统的网络结构示意图；
图2是本发明在PB不同分布密度下的系统能量采集效率仿真示意图；
图3是本发明在PB不同发射功率下的系统能量采集效率仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在仿真测试环境中，模拟一个无线传感器网络，网络中随机分布地部署若干个符合PPP随机几何模型的PB，并利用多天线通过波束成形向无线传感器传输能量信号，一个无线传感器先采集从周围的PB所发射的能量信号，再利用存储的电能向无线接入点上传信息。假设整流电路的能量转换效率为μ＝60％，路径损耗系数α＝2.2。
通过采用本发明中所述的方法，其仿真效果如下：
第一组仿真，假设PB端配置有2根天线，而S端分别配置2根及4根天线，逐次增加PB的发射功率P，P由10dBm依次增加至40dBm，并且作为对照组改变系统中PB的分布密度，图2中可以看出基于此方法给出的能量采集效率的解析解与经过大量Monte Carlo仿真得到的数值解的结果高度相同，图中Monte Carlo仿真的结果用实线表示，并且，伴随着终端天线数目的增长，应用本发明方法进行能量传输时，系统的能量采集效率也显著提高。
第二组仿真，假设PB端配置有2根天线，而S端分别配置2根及4根天线，逐次增加PB的分布密度，由0.0001m-2依次增加至0.0009m-2，并且作为对照组改变系统中PB的发射功率，图3中可以看出基于此方法给出的能量采集效率的解析解与经过大量Monte Carlo仿真得到的数值解的结果高度相同，图中Monte Carlo仿真的结果用实线表示。并且，伴随着PB分布密度的增加，应用本发明方法进行能量传输时，系统的能量采集效率也显著提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种在无线供能网络中基于MIMO传输技术的能量传输系统，其特征是，包括无线供能网络中大规模随机分布的能量信标、接收能量信号的无线终端和连接第i个能量信标与无线终端的MIMO信道；所述MIMO信道的传输矩阵为Hi；其中，每个所述能量信标的天线数目相同均为np，无线终端的天线数目为ns，其中np≥1，ns≥1；所述能量信标与无线终端均能够获取完整的传输矩阵Hi；
所述第i个能量信标将准备传输的能量信号x映射到Vi向量上形成能量信号Vix，其中，Vi为传输矩阵Hi奇异值分解后的右奇异向量；
所述能量信号Vix经过MIMO信道后，被送至无线终端，形成信号HiVix；
所述无线终端利用传输矩阵Hi的左奇异向量Ui，将接收到的信号HiVix映射到Ui上，得到被处理后的接收信号为UiHiVix；
所述无线终端接收到的能量信号为μ∑i∈ΦPri -α(UiHiVix)2，无线终端的能量采集效率为E＝μ∑i∈ΦPri -αλi，λi表示传输矩阵Hi的特征值，其中，Φ表示所有能量信标的集合，μ表示无线终端整流电路的射频信号-直流信号转换效率，P表示能量信标的发射功率，ri表示从第i个能量信标到无线终端的几何距离，α为路径损耗系数，且
Figure FDA0002424766170000011
2.根据权利要求1所述的一种在无线供能网络中基于MIMO传输技术的能量传输系统，其特征是，所述能量信标的地理位置分布满足泊松点过程。
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