射频供能无线网络高能效传输技术及实现

发布时间：2020-05-31 08:25

【摘要】：无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)是物联网IoT(Internet of Things)的重要组成部分,传统的WSN通常采用电池供电,电池更换困难限制了WSN的应用。射频供能通信网络WPCN(Wireless Powered Communications Network)可以克服这一瓶颈,为WSN的可持续应用提供了一个方案。相比传统WSN,WPCN的节点通过从环境射频信号中捕获能量以支撑其感知、计算、通信和组网。由于WPCN节点从射频中捕获的能量弱,因此,如何高能效传输数据成为WPCN中急需解决的重要问题。本文对此进行研究,主要工作和成果如下:1.反射通信(Backscatter Communication)技术在WPCN中得到广泛应用,针对反射通信在采用FM0两相位基带通信、Miller调制等方案时所存在的反射比特0和比特1之间的巨大能耗差ECD(Energy Consumption Disparity),研究了利用ECD生成低能耗码本,进而利用码本进行反射通信的数据传输方案。设计出定长码本(即码本中的码字长度相等),提出基于定长码本的高能效数据传输方案EEDDS(Energy-Efficient Data Delivery Scheme)。在EEDDS方案中,收发双方共享定长码本,通过码本实现“原始比特流中固定长度的数据段”和“码本中的码字”之间的映射。综合考虑ECD系数、原始比特流中高能耗位所占比例、信道误码率等因素,在对分段延迟作出约束的前提下,构造了以最大化节能率为目标的优化问题模型。给出了定长码本的构造过程,并受此过程启发,采用计算复杂度低的贪婪算法求解上述优化问题。仿真结果表明,在调制方式具备ECD特征或原始比特流中高能耗位较多的情况下(例如传输ASCII码),所提出的EEDDS方案的节能率优于传统的不编码方案。2.在EEDDS方案中,接收方必须完整的接收一个码字后才能解码,且倾向于选择较大的分段长度,消耗了较多的节点存储空间。针对EEDDS方案的这一不足,研究了使用非前缀码(Prefix-code)的高能效数据传输问题,提出基于非前缀码本的高能效数据传输方案PCBS(Prefix Code Based Scheme)。PCBS方案考虑ECD系数、码字长度上限等参数,在码字的非前缀特征、节能性等约束条件下,构造了以最小化平均能耗为目标的优化问题模型。本文利用遗传算法求解该优化问题,利用二叉树与非前缀码本的对应关系,选取二叉树为染色体,遗传算法的选择、交叉、变异和种群迭代都基于对二叉树的操作,得出了包含非前缀码字的高能效码本。PCBS方案为每个原始分段匹配变长的码字,适合于更一般的场景,进一步降低了高能耗位的发送数量,具有较低的传输延迟、较少的存储空间需求和更高的节能率。仿真结果显示,PCBS选取的分段长度低于EEDDS方案,相同条件下比EEDDS方案有更高的节能率和更小的分段长度,即PCBS方案整体上优于EEDDS方案。3.针对EEDDS和PCBS方案所设计的码本占用存储空间大,难以在硬件上实现的缺点,考虑存储空间极度受限下的高能效码本设计及基于所设计的码本进行数据传输的方案,提出混合非前缀码高能效数据传输方案CBBC(Prefix Code Based Backscatter Communications)。CBBC方案采用两个速率传输数据,以一种速率把包含较多低能耗位的原始数据块不使用码本直接发送出去,而以另一种速率把包含较少低能耗位的原始数据块使用码本发送出去。充分考虑编码和不编码的阈值、ECD系数,在节点内存、单位比特时间、码本的非前缀特征和节能性等约束条件下,构造了以最小化平均能耗为目标的优化问题模型,并借助二叉树的修剪和扩展操作求解该优化问题。此外,在无线识别感知平台WISP(Wireless Identification Sensing Platform)硬件上对CBBC方案进行实验,结果表明:用相同的能量,CBBC方案比不编码方案多传输20%以上数据(比特)。总之,CBBC方案易于在硬件上实现且节能效果明显,适用于节点计算能力弱、存储空间极度受限的无源感知或反向散射通信场景。上述方案可应用于使用射频能量收集和反向散射通信的射频供能通信网络中,在物理层提高数据的传输能效。本文的研究结果具有重要的理论意义和实用价值,对推动物联网的发展和射频供能通信网络技术的进步起到一定的促进作用。
【图文】：

射频供能无线网络高能效传输技术及实现

a单站反向散射通信

射频供能无线网络高能效传输技术及实现

b双站反向散射通信
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.9;TN929.5

【参考文献】