[發明專利]一種利用環境RF無線充電的通信設備間的通信方法

有效

• 申請號: 201810856233.X
• 申請日: 2018-07-30
• 公開（公告）號: CN108964751B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 趙菊敏;李燈熬;張亮
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: H04B7/22
• 分類號: H04B7/22;H02J50/20
• 代理公司: 太原高欣科創專利代理事務所(普通合伙) 14109
• 代理人: 崔浩;冷錦超

1.一種利用環境RF無線充電的通信設備間的通信方法，其特征在于：使用發射機S和接收機D進行通信，所述發射機S能夠執行對數據主動傳輸模式或對數據反向散射傳輸模式，并且進行RF能量收集；所述接收機D可以解調來自調制的反向散射和有源RF傳輸的數據；

所述數據傳輸模式可以由發射機S通過接收選擇信令來完成；

具體通信方法包括如下步驟：

第一步，設定發射機S與接收機D的系統模型；

設定環境中存在射頻信號源Φ和Ψ，分別處于不同的頻帶上；

所述發射機S在信號源Φ環境下采集RF能量；

當發射機S處于環境反向散射工作模式，它將對來自信號源Φ的入射信號執行負載調制；

當發射機S處于無線供電通信模式時，它將從信號源Φ的環境中收集能量，并利用Ψ環境中的信號源來傳輸信號；

接收機D接收由發射機S發送信號的過程中會受到Ψ環境中RF信號的干擾；

第二步，設定相應系統參數；

設屬于信號源Φ的環境中發射機的發射功率為P_A；

設屬于信號源Ψ的環境中發射機的發射功率為P_B；

設X_S表示發射機的位置，X_D表示接收機的位置；

a為射頻信號源Φ的位置，b為射頻信號源Ψ的位置；

第三步，計算發射機接受功率信號的功率：

對X_S處的接收機天線能接收到信號源Φ的RF信號的功率為：

P_I＝P_A∑_a∈Ah_a，S||X_a-X_S||^-μ；

其中h_a，S表示環境發射器a∈A和S之間的信道增益，μ表示路徑損耗指數，X_a表示信號源Φ的位置；

由于不同的硬件電路消耗不同的能量，所以當混合發射機以不同模式工作時，所需要的最低功率也不一樣；

同時設ρ_B和ρ_H分別表示環境反向散射和無線供電通信模式下的電路閾值功率；

如果發射器無法獲得足夠的能量，則不能工作；

第四步，對此系統在純環境反向散射模式下的通信數據建模；

在環境反向散射過程中，將P_H表示為從天線攝入的RF信號轉換為直流電的信號功率，將P_R表示為剩余作為調制信號的入射信號功率；

在純環境反向散射模式下，S處的能量收集率表示為：

其中β表示RF到直流電能量轉換的效率，取值范圍為0＜β≤1，η表示RF到直流電能量轉換的入射RF功率的分數；

第五步，計算發射機S與接收機D之間的距離為：

d＝||X_S-X_D||；

第六步，在純環境反向散射模式下，由發射機S反向散射到接收機D處的信號功率可以計算為：

P_S，D＝δP_I(1-η)h_S，Dd^-μ；

其中δ表示發射天線的后向散射效率，與天線孔徑有關，取值范圍為0＜δ≤1，h_s，D表示發射機S和接收機D之間的信道增益；

第七步，如果發射機在純環境反向散射模式下正常工作，則得到的信噪比為：

其中σ²是加性高斯白噪聲的功率譜密度；

如果接收的信噪比V_B高于接受機D最低可接受的閾值τ_B，則接收機D能夠以預先設計的速率T_B成功解碼來自發射機S反向散射的信息；

第八步，對此系統在純無線供電通信模式下的通信數據建模；

當發射機S采用無線供電通信模式時，發射機以基于時隙的方式工作，將每個時隙分成兩個周期，第一周期的時間分數為ω，用于收集能量，在此期間匹配網絡的阻抗與天線的阻抗完全匹配以最大化能量轉換效率，能量收集率為：

將收獲的能量為電路供電，并將多余的能量儲存在能量存儲器中；

第九步：當收集到的能量足以啟動發射電路，則發射機S將在以時間分數為(1-ω)的第二周期依靠存儲的能量進行主動信號發射；

在主動信號發射階段，發射機S的發射功率為：

式中H是無線供電通信模式；

接收機處的接收信號與干擾噪聲之比可以表示為：

h’_S，D表示發射機S和接收機D在Ψ環境之間的信道增益，h_b，D表示接收機和信號源b的信道增益，X_b-X_D表示信號源Ψ與接收機D之間的距離；

B表示環境反向散射模式，P_B表示環境反向散射下的功率，X_b表示信號源Ψ的位置，X_D表示接收機D的位置；

第十步，對此系統在混合模式下的通信數據建模；

基于功率閾值和信噪比閾值的混合動態協議來判斷兩種通信協議的切換：

情況1：當檢測到發射機S存儲的能量低于主動發送信息所需要的閾值能量ρ_H，且接收機D處的信噪比V_B高于來自反向散射信息解碼所需的閾值τ_B；

即當且V_B＞τ_B時，使用環境反向散射模式；

情況2：當檢測到發射機S存儲的能量高于主動發送信息所需要的閾值能量ρ_H，且接收機D處的信噪比V_H高于來自反向散射信息解碼所需的閾值τ_B；

即當且V_H＞τ_B時，使用無線供電通信主動發射模式；

情況3：當檢測到發射機S存儲的能量低于主動發送信息所需要的閾值能量ρ_H，但接收機D處的信噪比V_B也低于來自反向散射信息解碼所需的閾值τ_B；

即當且V_B＜τ_B時，使用環境反向散射模式；此時無線供電通信模式由于電壓過小無法工作；

情況4：當檢測到發射機S存儲的能量高于主動發送信息所需要的閾值能量ρ_H，同時接收機D處的信噪比V_B也高于來自反向散射信息解碼所需的閾值τ_B；

即當且V_B＞τ_B時，分以下兩種情況使用：

引入風險函數C_BH，C_hh，C_HB，C_BB，設P(B)為采用反向散射模式合適的概率，設P(H)為采用無線供電通信模式合適的概率；

則由最小風險貝葉斯準則計算門限值l(x)為：

式中C_BH，C_HH，C_HB，C_BB均為引入的風險函數；

當l(x)＞0.5時，選擇為P(B)下的風險，即采用環境反向散射模式；

當l(x)＞0.5時，選擇為P(H)下的風險，即采用無線供電通信模式。