【摘要】：針對(duì)后向散射通信廣泛采用的EPC Gen2協(xié)議在傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)效率較低,且不能很好適應(yīng)能量捕獲條件和信道質(zhì)量變化的問(wèn)題,首先對(duì)EPC Gen2協(xié)議原有流程進(jìn)行了優(yōu)化,采用突發(fā)傳輸減少空閑等待時(shí)隙,引入糾刪碼減少確認(rèn)幀等待時(shí)延;接著,推導(dǎo)了特定能量捕獲條件和信道條件下的有效吞吐量表達(dá)式,歸納出有效吞吐量最大化問(wèn)題,通過(guò)窮舉法得到幀長(zhǎng)、編碼冗余度和充電時(shí)間理論最優(yōu)值;然后,提出一種動(dòng)態(tài)幀和充電時(shí)間在線調(diào)整策略,在運(yùn)行時(shí)根據(jù)閱讀器端的吞吐量測(cè)量反饋調(diào)整幀長(zhǎng)及編碼冗余度,控制充電時(shí)間,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀和確認(rèn)幀格式;最后,為驗(yàn)證本文方法的有效性,設(shè)置了不同能量捕獲條件和信噪比條件,通過(guò)仿真得到本文所提方法采用的幀長(zhǎng)、編碼冗余度、達(dá)到的有效吞吐量和消耗的能量,與EPC Gen2協(xié)議固定幀長(zhǎng)方案和通過(guò)數(shù)值分析得到的理論最優(yōu)值進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明,本文所提方法相比EPC Gen2協(xié)議固定幀長(zhǎng)方案能顯著提高有效吞吐量,且吞吐量性能接近理論最優(yōu)值�？梢�,本文對(duì)協(xié)議流程的優(yōu)化及動(dòng)態(tài)調(diào)整幀長(zhǎng)及編碼冗余度的策略在改善系統(tǒng)吞吐量性能方面是有效的。
【圖文】：

圖1協(xié)議工作流程Fig．1Operatingprocedure1．2吞吐量分析和優(yōu)化CＲFID節(jié)點(diǎn)的工作周期是一系列充放電過(guò)程，如圖2所示，節(jié)點(diǎn)休眠一段時(shí)間捕獲閱讀器射頻能量，電壓上升，電容充電;然后醒來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，電容放電，電壓下降。以WISP為例，其CPU工作電壓是1．8V，但是喚醒無(wú)線電工作的電壓是1．9V。因此，WISP節(jié)點(diǎn)需要充電一段時(shí)間，當(dāng)電壓上升至1．9V，才能喚醒無(wú)線電發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)電壓降至1．8V，無(wú)線電則會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)。充電t時(shí)間后的電壓U(t)為: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)表示初始電壓值，τ為ＲC電路時(shí)間常數(shù)，Umax表示當(dāng)前能量捕獲條件下電容可達(dá)到的最大電壓。當(dāng)捕獲條件改變時(shí)，Umax和τ的值都隨之改變。圖3顯示了不同能量捕獲條件下，隨著充電時(shí)間增大的電壓變化情況。當(dāng)能量捕獲條件較差時(shí)，Umax減小，τ增大，使得CＲFID節(jié)點(diǎn)需要更長(zhǎng)的充電時(shí)間才能達(dá)到無(wú)線電工作電壓。為了適應(yīng)不同的能量捕獲條件，本文提出讓CＲFID節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)選擇幀長(zhǎng)和充電時(shí)間。動(dòng)態(tài)選擇幀長(zhǎng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以適應(yīng)變化的信道質(zhì)量。通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化幀長(zhǎng)、編碼冗余度和充電時(shí)間，，提高后向散射通信的吞吐量。首先，推導(dǎo)特定能量捕獲條件和信道條件下的有效吞吐量表達(dá)式。充電時(shí)間為t時(shí)，CＲFID節(jié)點(diǎn)捕獲射頻能量E(t)為:E(t)=12C(U2(t)－U2dd)(2)圖2能量捕獲過(guò)程Fig．2Energyharvestingprocess圖3不同捕獲條件下電壓隨充電時(shí)間的變化Fig．3Voltageversuschargingtimeunderdifferentharvestingconditions其中，C是電容大小，Udd為CＲFID節(jié)點(diǎn)最小工作電壓。假設(shè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接收單位比特?cái)?shù)據(jù)平均消耗的能量為ebit，用lp和lh分別表示數(shù)

圖1協(xié)議工作流程Fig．1Operatingprocedure1．2吞吐量分析和優(yōu)化CＲFID節(jié)點(diǎn)的工作周期是一系列充放電過(guò)程，如圖2所示，節(jié)點(diǎn)休眠一段時(shí)間捕獲閱讀器射頻能量，電壓上升，電容充電;然后醒來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，電容放電，電壓下降。以WISP為例，其CPU工作電壓是1．8V，但是喚醒無(wú)線電工作的電壓是1．9V。因此，WISP節(jié)點(diǎn)需要充電一段時(shí)間，當(dāng)電壓上升至1．9V，才能喚醒無(wú)線電發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)電壓降至1．8V，無(wú)線電則會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)。充電t時(shí)間后的電壓U(t)為: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)表示初始電壓值，τ為ＲC電路時(shí)間常數(shù)，Umax表示當(dāng)前能量捕獲條件下電容可達(dá)到的最大電壓。當(dāng)捕獲條件改變時(shí)，Umax和τ的值都隨之改變。圖3顯示了不同能量捕獲條件下，隨著充電時(shí)間增大的電壓變化情況。當(dāng)能量捕獲條件較差時(shí)，Umax減小，τ增大，使得CＲFID節(jié)點(diǎn)需要更長(zhǎng)的充電時(shí)間才能達(dá)到無(wú)線電工作電壓。為了適應(yīng)不同的能量捕獲條件，本文提出讓CＲFID節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)選擇幀長(zhǎng)和充電時(shí)間。動(dòng)態(tài)選擇幀長(zhǎng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以適應(yīng)變化的信道質(zhì)量。通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化幀長(zhǎng)、編碼冗余度和充電時(shí)間，提高后向散射通信的吞吐量。首先，推導(dǎo)特定能量捕獲條件和信道條件下的有效吞吐量表達(dá)式。充電時(shí)間為t時(shí)，CＲFID節(jié)點(diǎn)捕獲射頻能量E(t)為:E(t)=12C(U2(t)－U2dd)(2)圖2能量捕獲過(guò)程Fig．2Energyharvestingprocess圖3不同捕獲條件下電壓隨充電時(shí)間的變化Fig．3Voltageversuschargingtimeunderdifferentharvestingconditions其中，C是電容大小，Udd為CＲFID節(jié)點(diǎn)最小工作電壓。假設(shè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接收單位比特?cái)?shù)據(jù)平均消耗的能量為ebit，用lp和lh分別表示數(shù)
【作者單位】： 浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;
【基金】：浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY17F020020) 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助(61432015)
【分類號(hào)】：TN926

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本文編號(hào)：2544463