[發明專利]一種自適應二維無線能量傳輸方法

有效

• 申請號: 201410188229.2
• 申請日: 2014-05-07
• 公開（公告）號: CN104022801A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 姚信威;王萬良;鄭星航;張羽方;岑躍峰;趙燕偉
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: H04B5/00
• 分類號: H04B5/00
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;黃美娟

技術領域

本發明涉及一種自適應時間維度和節點維度的無線能量傳輸方法。

背景技術

無接觸感應電能傳輸技術即無線能量傳輸技術是一種新型技術。從法拉第發現電磁感應現象以來，電能主要是由導線傳輸，用電設備主要是通過插頭和插座等連接器的接觸來獲取能量，這種傳輸方式存在很多的不足。例如它很容易產生摩擦、損耗和導體裸露等現象，從而影響用電設備壽命和人類自身安全。隨后赫茲通過實驗證明了電磁波可以在自由空間中產生，并能在接收端被檢測到，這是最早的無線能量傳輸實驗。由于早期無線能量傳輸的效率很低并且沒有市場需求，因此人們對這一研究缺乏熱情，使得這項技術一直停滯不前。

直到二十世紀末，隨著無線網絡的發展，人們對這一技術研究的興趣越來越濃厚，并開始對其進行深入的研究，從而滿足各行各業對無線能量傳輸技術的需求。無線能量傳輸技術是一種很前沿的技術，但是它現在還并不是很成熟。在未來的無線網絡中，節點被設想能夠從外界環境收集能源，并且可以將能量傳輸到其它節點，從而網絡節點都能從外界環境或者其他節點處獲得足夠維持自己正常工作所需的能量。雖然無線能量傳輸是無線通信中一個相對較新的概念，但它已經被運用在很多其他場合中。例如，在光通信或者太空任務中使用的微波功率傳輸技術。然而，這些系統總是需要特定的硬件或基礎設施來實現，不能直接應用于無線網絡節點。傳統無線網絡的主要任務是實現無線數據傳輸，即通過電磁波實現網絡節點間的數據通信。其網絡節點往往具有體積小、移動性高和電池容量小等特點，并通過能量捕獲單元從周圍環境中采集能量，增加網絡節點的使用壽命。然而某些節點由于地理位置或移動性等原因，無法采集到足夠的能量，此時需要無線能量傳輸技術將能量從儲備較豐富的鄰居節點傳輸到該節點。因此如何在現有無線網絡節點的基礎上，將能量通過電磁波進行節點間的無線傳輸是一個新的難題，亟需一種新的無線能量傳輸技術來保證能量的傳輸。

發明內容

本發明提供一種自適應時間維度和節點維度的能量傳輸方法，依靠現有無線傳輸技術實現節點之間的傳輸能量，并使網絡的總吞吐量打到最大化。它是一種可以控制能量在時間維度是單向傳輸的，即能量只能從現在時刻傳輸到未來時刻，在節點維度是可以雙向傳輸的，即節點之間的能量可以相互傳輸,并且能使網絡總吞吐量達到最大的無線能量傳輸方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種自適應二維無線能量傳輸方法，所述無線能量傳輸方法包括以下的內容：

考慮一個由兩個節點組成的雙工通信信道模型。節點1和節點2分別具有各自的能量隊列和數據隊列。每個節點在不同的時刻獲得不等的能量，為了增加無線網絡的使用壽命、平衡網絡節點間能量需求，因此會產生能量傳輸問題。本發明提出了一種通過能量的傳輸使得節點總吞吐量達到最大化的方法。

假設在某時間段內節點1和節點2在每個時刻(t＝1,2,…,T，其中T表示最大時刻)通過能量捕獲獲得的總能量分別為和其中字母E表示獲得的能量，右上角的數字1和2分別表示節點1和節點2，右下角的數字1,2,…,T表示每個時刻。節點1和節點2在每個時刻用于傳輸數據隊列的能量分別為其中字母P表示用于數據隊列的能量，右上角的數字1和2分別表示節點1和節點2，右下角的數字1,2,…,T表示每個時刻。所提方法設定：能量在時間維度是單向傳輸的，即能量只能從現在時刻傳輸到未來時刻，在節點維度是可以雙向傳輸的，即節點之間的能量可以相互傳輸。其中，節點維度的能量傳輸效率為α(0≤α≤1)，所以節點U傳輸的能量到節點V時，節點U的能量隊列有的能量離開，同時節點V的能量隊列有的能量進入，其中字母U代表能量多的節點序號(U＝1或2)，字母V代表能量少的節點序號(V＝1或2)，i表示某一時刻(i∈1,2,…,T，其中T表示最大時刻)。

引入能量傳輸方向函數和當時，即能量可以從節點1傳輸到節點2；當時，即能量可以從節點2傳輸到節點1。對于每個節點，具有如下能量約束條件：

其中，公式(1)表示第i時刻節點1用于數據隊列傳輸的能量小于或等于節點1在第i時刻捕獲的總能量，公式(2)表示第i時刻節點2用于數據隊列傳輸的能量小于或等于節點2在第i時刻捕獲的總能量，其中第i時刻節點捕獲的總能量包括兩部分：直接從環境中采集的能量和節點間相互傳輸獲取或損失的能量。

此外，傳輸的能量必須小于等于傳輸節點從環境中采集的總能量，具體的能量約束條件如下：