本發(fā)明涉及一種在無線功能網(wǎng)絡(luò)中基于MIMO傳輸技術(shù)的能量傳輸系統(tǒng)，屬于無線通信傳輸中的能量收集技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

射頻信號能量收集技術(shù)被認(rèn)為是下一代5G移動通信網(wǎng)絡(luò)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)不僅能夠利用射頻信號傳輸信息，也可以通過射頻信號無線傳輸能量。運用該技術(shù)，無線終端無需連接電源進(jìn)行有線供電，通過終端中的整流電路將接收到的射頻信號轉(zhuǎn)換為直流電，并且將電能存儲在可充電電池或者雙電層電容器(超級電容)中，從而利用收集到的電能進(jìn)行信號處理與傳輸。無線通信網(wǎng)絡(luò)中，無線終端先利用射頻信號能量收集技術(shù)采集能量，再利用存儲的能量進(jìn)行無線信號傳輸，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被稱為無線供能系統(tǒng)。

無線供能系統(tǒng)中，為了使終端能夠穩(wěn)定得收集到足夠的能量，需要在網(wǎng)絡(luò)中部署一種專用能量信標(biāo)(Power beacon,簡稱PB)，PB無需連接網(wǎng)絡(luò)的回程鏈路，部署成本較低，因此易于被大規(guī)模密集部署。無線終端可以接收到多個PB的傳輸信號，并且可以將收集到的能量相加并存儲。

目前，一種無線供能網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模部署PB的能量傳輸方案被提出，通過將每個PB獨立隨機地分布在一定區(qū)域內(nèi)，一定區(qū)域內(nèi)的PB數(shù)量符合泊松分布，PB的位置信息就可以用隨機幾何論中的泊松點過程描述(Poisson Point Process,簡稱PPP)，從而可以計算得出無線終端在此模型中可以收集到的能量(也稱為能量采集效率)的期望值。然而在上述能量傳輸方案中，PB與無線終端均部署了一根天線，所以沒有充分利用到點對點傳輸中的多路信道的多樣性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種在無線功能網(wǎng)絡(luò)中基于MIMO傳輸技術(shù)的能量傳輸系統(tǒng)，既可以顯著地提升網(wǎng)絡(luò)的能量采集效率，也可以給出能量采集效率的解析解，從而揭示出各網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對于能量采集效率的影響，為系統(tǒng)的實際部署提供指導(dǎo)。

為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種在無線功能網(wǎng)絡(luò)中基于MIMO傳輸技術(shù)的能量傳輸系統(tǒng)，其特征是，包括無線功能網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模隨機分布的能量信標(biāo)PB、接收能量信號的無線終端S和連接第i個能量信標(biāo)與無線終端的MIMO信道；所述MIMO信道的傳輸矩陣為H_i；其中，所述每個能量信標(biāo)的天線數(shù)目相同均為n_p，無線終端的天線數(shù)目為n_s，其中n_p≥1，n_s≥1；所述能量信標(biāo)與無線終端均能夠獲取完整的傳輸矩陣H_i；

所述第i個能量信標(biāo)將準(zhǔn)備傳輸?shù)哪芰啃盘杧映射到V_i向量上形成能量信號V_ix，其中，V_i為傳輸矩陣H_i奇異值分解后的右奇異向量；

所述能量信號V_ix經(jīng)過MIMO信道后，被送至無線終端，形成信號H_iV_ix；

所述無線終端利用傳輸矩陣H_i的左奇異向量U_i，將接收到的信號H_iV_ix映射到U_i上，得到被處理后的接收信號為U_iH_iV_ix；

所述無線終端接收到的能量信號為μΣ_i∈ΦPr_i^-α(U_iH_iV_ix)²，無線終端端的能量采集效率為E＝μΣ_i∈ΦPr_i^-αλ_i示傳輸矩陣H_i的特征值，其中，Φ表示所有能量信標(biāo)的集合，μ表示無線終端整流電路的射頻信號-直流信號轉(zhuǎn)換效率，P表示能量信標(biāo)的發(fā)射功率，r_i表示從第i個能量信標(biāo)到無線終端的幾何距離，α為路徑損耗系數(shù)，且

進(jìn)一步地，所述能量信標(biāo)呈泊松分布。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：與現(xiàn)有單天線能量傳輸方法對比，按照上述方案傳輸能量信號時，利用了PB端至S端MIMO信道的空間分集特性，采用波束成形方式傳輸能量信號，使得在S端的信號具有最高的信噪比，可以提高整個網(wǎng)絡(luò)中能量的傳輸效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中無線自供能系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明在PB不同分布密度下的系統(tǒng)能量采集效率仿真示意圖；

圖3是本發(fā)明在PB不同發(fā)射功率下的系統(tǒng)能量采集效率仿真示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

在仿真測試環(huán)境中，模擬一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中隨機分布地部署若干個符合PPP隨機幾何模型的PB，并利用多天線通過波束成形向無線傳感器傳輸能量信號，一個無線傳感器先采集從周圍的PB所發(fā)射的能量信號，再利用存儲的電能向無線接入點上傳信息。假設(shè)整流電路的能量轉(zhuǎn)換效率為μ＝60％，路徑損耗系數(shù)α＝2.2。

通過采用本發(fā)明中所述的方法，其仿真效果如下：

第一組仿真，假設(shè)PB端配置有2根天線，而S端分別配置2根及4根天線，逐次增加PB的發(fā)射功率P，P由10dBm依次增加至40dBm，并且作為對照組改變系統(tǒng)中PB的分布密度，圖2中可以看出基于此方法給出的能量采集效率的解析解與經(jīng)過大量Monte Carlo仿真得到的數(shù)值解的結(jié)果高度相同，圖中Monte Carlo仿真的結(jié)果用實線表示，并且，伴隨著終端天線數(shù)目的增長，應(yīng)用本發(fā)明方法進(jìn)行能量傳輸時，系統(tǒng)的能量采集效率也顯著提高。

第二組仿真，假設(shè)PB端配置有2根天線，而S端分別配置2根及4根天線，逐次增加PB的分布密度，由0.0001m^-2依次增加至0.0009m^-2，并且作為對照組改變系統(tǒng)中PB的發(fā)射功率，圖3中可以看出基于此方法給出的能量采集效率的解析解與經(jīng)過大量Monte Carlo仿真得到的數(shù)值解的結(jié)果高度相同，圖中Monte Carlo仿真的結(jié)果用實線表示。并且，伴隨著PB分布密度的增加，應(yīng)用本發(fā)明方法進(jìn)行能量傳輸時，系統(tǒng)的能量采集效率也顯著提高。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。