后向散射通信的动态帧和充电时长调整策略

发布时间：2019-09-30 20:42

【摘要】：针对后向散射通信广泛采用的EPC Gen2协议在传输大量数据时效率较低,且不能很好适应能量捕获条件和信道质量变化的问题,首先对EPC Gen2协议原有流程进行了优化,采用突发传输减少空闲等待时隙,引入纠删码减少确认帧等待时延;接着,推导了特定能量捕获条件和信道条件下的有效吞吐量表达式,归纳出有效吞吐量最大化问题,通过穷举法得到帧长、编码冗余度和充电时间理论最优值;然后,提出一种动态帧和充电时间在线调整策略,在运行时根据阅读器端的吞吐量测量反馈调整帧长及编码冗余度,控制充电时间,并设计了相应的数据帧和确认帧格式;最后,为验证本文方法的有效性,设置了不同能量捕获条件和信噪比条件,通过仿真得到本文所提方法采用的帧长、编码冗余度、达到的有效吞吐量和消耗的能量,与EPC Gen2协议固定帧长方案和通过数值分析得到的理论最优值进行了比较。仿真结果表明,本文所提方法相比EPC Gen2协议固定帧长方案能显著提高有效吞吐量,且吞吐量性能接近理论最优值。可见,本文对协议流程的优化及动态调整帧长及编码冗余度的策略在改善系统吞吐量性能方面是有效的。
【图文】：

流程图,协议工,流程,捕获条件

图1协议工作流程Fig．1Operatingprocedure1．2吞吐量分析和优化CＲFID节点的工作周期是一系列充放电过程，如图2所示，节点休眠一段时间捕获阅读器射频能量，电压上升，电容充电;然后醒来发送数据，电容放电，电压下降。以WISP为例，其CPU工作电压是1．8V，但是唤醒无线电工作的电压是1．9V。因此，WISP节点需要充电一段时间，当电压上升至1．9V，才能唤醒无线电发送数据，当电压降至1．8V，无线电则会进入休眠状态。充电t时间后的电压U(t)为:U(t)=U(0)+(Umax－U(0))(1－e－t/τ)=U(0)e－t/τ+Umax(1－e－t/τ)(1)式中，U(0)表示初始电压值，τ为ＲC电路时间常数，Umax表示当前能量捕获条件下电容可达到的最大电压。当捕获条件改变时，Umax和τ的值都随之改变。图3显示了不同能量捕获条件下，随着充电时间增大的电压变化情况。当能量捕获条件较差时，Umax减小，τ增大，使得CＲFID节点需要更长的充电时间才能达到无线电工作电压。为了适应不同的能量捕获条件，本文提出让CＲFID节点动态选择帧长和充电时间。动态选择帧长的另一个优势是可以适应变化的信道质量。通过联合优化帧长、编码冗余度和充电时间，，提高后向散射通信的吞吐量。首先，推导特定能量捕获条件和信道条件下的有效吞吐量表达式。充电时间为t时，CＲFID节点捕获射频能量E(t)为:E(t)=12C(U2(t)－U2dd)(2)图2能量捕获过程Fig．2Energyharvestingprocess图3不同捕获条件下电压随充电时间的变化Fig．3Voltageversuschargingtimeunderdifferentharvestingconditions其中，C是电容大小，Udd为CＲFID节点最小工作电压。假设节点发送或接收单位比特数据平均消耗的能量为ebit，用lp和lh分别表示数

过程图,能量,过程,捕获条件

图1协议工作流程Fig．1Operatingprocedure1．2吞吐量分析和优化CＲFID节点的工作周期是一系列充放电过程，如图2所示，节点休眠一段时间捕获阅读器射频能量，电压上升，电容充电;然后醒来发送数据，电容放电，电压下降。以WISP为例，其CPU工作电压是1．8V，但是唤醒无线电工作的电压是1．9V。因此，WISP节点需要充电一段时间，当电压上升至1．9V，才能唤醒无线电发送数据，当电压降至1．8V，无线电则会进入休眠状态。充电t时间后的电压U(t)为:U(t)=U(0)+(Umax－U(0))(1－e－t/τ)=U(0)e－t/τ+Umax(1－e－t/τ)(1)式中，U(0)表示初始电压值，τ为ＲC电路时间常数，Umax表示当前能量捕获条件下电容可达到的最大电压。当捕获条件改变时，Umax和τ的值都随之改变。图3显示了不同能量捕获条件下，随着充电时间增大的电压变化情况。当能量捕获条件较差时，Umax减小，τ增大，使得CＲFID节点需要更长的充电时间才能达到无线电工作电压。为了适应不同的能量捕获条件，本文提出让CＲFID节点动态选择帧长和充电时间。动态选择帧长的另一个优势是可以适应变化的信道质量。通过联合优化帧长、编码冗余度和充电时间，提高后向散射通信的吞吐量。首先，推导特定能量捕获条件和信道条件下的有效吞吐量表达式。充电时间为t时，CＲFID节点捕获射频能量E(t)为:E(t)=12C(U2(t)－U2dd)(2)图2能量捕获过程Fig．2Energyharvestingprocess图3不同捕获条件下电压随充电时间的变化Fig．3Voltageversuschargingtimeunderdifferentharvestingconditions其中，C是电容大小，Udd为CＲFID节点最小工作电压。假设节点发送或接收单位比特数据平均消耗的能量为ebit，用lp和lh分别表示数
【作者单位】：浙江工业大学计算机科学与技术学院;
【基金】：浙江省自然科学基金资助项目(LY17F020020) 国家自然科学基金重点项目资助(61432015)
【分类号】：TN926

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