射頻供能無線網(wǎng)絡(luò)高能效傳輸技術(shù)及實現(xiàn)

發(fā)布時間：2020-05-31 08:25

【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是物聯(lián)網(wǎng)IoT(Internet of Things)的重要組成部分,傳統(tǒng)的WSN通常采用電池供電,電池更換困難限制了WSN的應(yīng)用。射頻供能通信網(wǎng)絡(luò)WPCN(Wireless Powered Communications Network)可以克服這一瓶頸,為WSN的可持續(xù)應(yīng)用提供了一個方案。相比傳統(tǒng)WSN,WPCN的節(jié)點通過從環(huán)境射頻信號中捕獲能量以支撐其感知、計算、通信和組網(wǎng)。由于WPCN節(jié)點從射頻中捕獲的能量弱,因此,如何高能效傳輸數(shù)據(jù)成為WPCN中急需解決的重要問題。本文對此進(jìn)行研究,主要工作和成果如下:1.反射通信(Backscatter Communication)技術(shù)在WPCN中得到廣泛應(yīng)用,針對反射通信在采用FM0兩相位基帶通信、Miller調(diào)制等方案時所存在的反射比特0和比特1之間的巨大能耗差ECD(Energy Consumption Disparity),研究了利用ECD生成低能耗碼本,進(jìn)而利用碼本進(jìn)行反射通信的數(shù)據(jù)傳輸方案。設(shè)計出定長碼本(即碼本中的碼字長度相等),提出基于定長碼本的高能效數(shù)據(jù)傳輸方案EEDDS(Energy-Efficient Data Delivery Scheme)。在EEDDS方案中,收發(fā)雙方共享定長碼本,通過碼本實現(xiàn)“原始比特流中固定長度的數(shù)據(jù)段”和“碼本中的碼字”之間的映射。綜合考慮ECD系數(shù)、原始比特流中高能耗位所占比例、信道誤碼率等因素,在對分段延遲作出約束的前提下,構(gòu)造了以最大化節(jié)能率為目標(biāo)的優(yōu)化問題模型。給出了定長碼本的構(gòu)造過程,并受此過程啟發(fā),采用計算復(fù)雜度低的貪婪算法求解上述優(yōu)化問題。仿真結(jié)果表明,在調(diào)制方式具備ECD特征或原始比特流中高能耗位較多的情況下(例如傳輸ASCII碼),所提出的EEDDS方案的節(jié)能率優(yōu)于傳統(tǒng)的不編碼方案。2.在EEDDS方案中,接收方必須完整的接收一個碼字后才能解碼,且傾向于選擇較大的分段長度,消耗了較多的節(jié)點存儲空間。針對EEDDS方案的這一不足,研究了使用非前綴碼(Prefix-code)的高能效數(shù)據(jù)傳輸問題,提出基于非前綴碼本的高能效數(shù)據(jù)傳輸方案PCBS(Prefix Code Based Scheme)。PCBS方案考慮ECD系數(shù)、碼字長度上限等參數(shù),在碼字的非前綴特征、節(jié)能性等約束條件下,構(gòu)造了以最小化平均能耗為目標(biāo)的優(yōu)化問題模型。本文利用遺傳算法求解該優(yōu)化問題,利用二叉樹與非前綴碼本的對應(yīng)關(guān)系,選取二叉樹為染色體,遺傳算法的選擇、交叉、變異和種群迭代都基于對二叉樹的操作,得出了包含非前綴碼字的高能效碼本。PCBS方案為每個原始分段匹配變長的碼字,適合于更一般的場景,進(jìn)一步降低了高能耗位的發(fā)送數(shù)量,具有較低的傳輸延遲、較少的存儲空間需求和更高的節(jié)能率。仿真結(jié)果顯示,PCBS選取的分段長度低于EEDDS方案,相同條件下比EEDDS方案有更高的節(jié)能率和更小的分段長度,即PCBS方案整體上優(yōu)于EEDDS方案。3.針對EEDDS和PCBS方案所設(shè)計的碼本占用存儲空間大,難以在硬件上實現(xiàn)的缺點,考慮存儲空間極度受限下的高能效碼本設(shè)計及基于所設(shè)計的碼本進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?提出混合非前綴碼高能效數(shù)據(jù)傳輸方案CBBC(Prefix Code Based Backscatter Communications)。CBBC方案采用兩個速率傳輸數(shù)據(jù),以一種速率把包含較多低能耗位的原始數(shù)據(jù)塊不使用碼本直接發(fā)送出去,而以另一種速率把包含較少低能耗位的原始數(shù)據(jù)塊使用碼本發(fā)送出去。充分考慮編碼和不編碼的閾值、ECD系數(shù),在節(jié)點內(nèi)存、單位比特時間、碼本的非前綴特征和節(jié)能性等約束條件下,構(gòu)造了以最小化平均能耗為目標(biāo)的優(yōu)化問題模型,并借助二叉樹的修剪和擴(kuò)展操作求解該優(yōu)化問題。此外,在無線識別感知平臺WISP(Wireless Identification Sensing Platform)硬件上對CBBC方案進(jìn)行實驗,結(jié)果表明:用相同的能量,CBBC方案比不編碼方案多傳輸20%以上數(shù)據(jù)(比特)�？傊�,CBBC方案易于在硬件上實現(xiàn)且節(jié)能效果明顯,適用于節(jié)點計算能力弱、存儲空間極度受限的無源感知或反向散射通信場景。上述方案可應(yīng)用于使用射頻能量收集和反向散射通信的射頻供能通信網(wǎng)絡(luò)中,在物理層提高數(shù)據(jù)的傳輸能效。本文的研究結(jié)果具有重要的理論意義和實用價值,對推動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和射頻供能通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步起到一定的促進(jìn)作用。
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