能量收集和信息传输协议在传感器网络

文摘

我们专注于设计的能量收集无线传感器传输协议。传感器可以从环境中收集能量,但他们不能同时充电和放电。我们建议能量采集和无线传输的协议,其中包含两个步骤。在第一步中,传感器收成能源与环境,收获率控制的能量收获能源的节能设备(ESD)。在第二步中,一些数据应该传送给接收器在一个特定的时间。考虑一个槽时间,的第一部分时间专门能量收获,剩下的时间槽的传输数据的信息。假设问位被传输到接收器在一个时间段;我们建立的关系时间和数据传输时间收获能量。此外,我们分析了在瑞利衰落信道系统中断概率性能。

1。介绍

在无线传感器网络的能量收获已成为越来越有吸引力与可持续的和持久的电力供应。随着物联网的发展,越来越多的传感器嵌入在医疗设备或建筑结构意义的环境1- - - - - -3]。传感器节点是由电池供电,通常无法被取代,因为无法理解的设备(例如,在人体)。一个传感器节点的电池耗尽后,节点死亡。在这种情况下,解决方案可能从环境中收集能量。能量收集方法包括从太阳风吸收能量,振动、RF无线电波,温度差异,气流,热电效应等物理现象(4]。

在所有这些方法中,无线电信号辐射到周围发射器成为无线能量收获的新来源,从环境和收获能量射频信号功率无线传感器网络(5]。除此之外,最近的进步在设计高效整流天线将使更有效的无线能量收获从射频信号在不久的将来6,7]。最近,研究无线供电通信网络(WPCNs)已经引起了广泛的注意。WPCN,能源环境射频信号用于电力网络中无线终端(8]。此外,射频解决方案的优势在于,射频信号可以同时携带能量和信息,和这种方法还可以降低通信网络的成本,因为外围设备利用外部能源是可以避免的。此外,环境从电视和移动通信射频广泛使用在城市地区(日夜,在室内和室外)9]。

有一些能源获取的最近的研究进展。例如,信息理论容量与能量收获发射机中讨论(10]。介绍了两种不同capacity-achieving计划和得出结论的能力能量收获AWGN信道是一样的,传统的AWGN信道只要平均可用能量是相同的。在[11),传输时间最小化的问题一个能量收获设置点对点通信系统进行了研究。在[12,13],作者调查了传输时间的最小化给定的数据通过功率控制基于已知的能源数量。在[14),作者认为一个访问权限控制的已命名发射机的功率分配能量收获能力基于因果观测通道的衰落状态。此外,传输时间最小化的问题也解决了映射吞吐量最大化的问题。

在这项工作中,我们考虑传输协议的设计能量收集无线传感器系统,用户传播他们的独立的上行信息单独使用他们的收获能量。我们的工作是与传统的研究同时无线信息和权力交接(SWIPT),同时能量和信息传输的假定传感器(或用户)下行。这种假设的一个主要问题是实际电路不能同时充电和放电。我们假设发射机需要交付位内秒,传输帧的持续时间。器只能获取能量或交付信息在任何时间,而不是两个。因此,发射机需要决定何时切换传输数据(TD)模式和能量收获(EH)模式。我们推导出最优模式切换规则之间的发射机实现各种权衡TD的最低传输中断概率模式和嗯的平均收获能量模式。

本文的其余部分组织如下。部分2提供了系统模型。我们分析部分的故障概率3并建立优化问题4。部分5给出了数值例子。最后,部分6总结了纸。

2。系统模型

在本文中,我们假设系统包括一对单天线发射器(Tx)和接收器(Rx)。假设位被传输到接收方秒,是发射机的时间框架。在每一帧中,有两个阶段的传播。第一阶段叫做收获时间,ESD从环境中收集能量。同时由于委托人不能充电和放电,第二步是在其余的帧数据传输时间。接下来,我们给出了通信协议的关键参数对能源收集和信息处理在save-ratio Tx。定义作为一个传输的分数槽时间,在时间间隔通过防静电,Tx收获能量。剩下的槽时间,从时间来秒,用于信息传输。在本文中,之间的关系和中断概率。

让源目的地信道系数。该频道从源到目的地是建模为频率非选择性衰落和加性噪声1,5,7]。因此,信道系数是假定为常数时槽时间和完成时间可能会有所不同从一个位置到另一个地方。

在目的节点接收信号在一个槽,,可以写成 在哪里是source-to-receiver通道增益。我们的模型作为独立的零均值,圆对称复高斯随机变量的方差的包络服从瑞利分布(瑞利衰落信道振幅平方指数分布)。噪声建模为独立为圆对称复高斯随机变量与零均值和方差。是source-to-receiver距离,是平均功率从源传输时间段,路径损耗指数,是与单位功率源消息;也就是说,,在那里操作员和期望吗是绝对值运算符。表示和单位方差高斯噪声。

根据协议,总缓冲能量,这是开始的时间内传输数据传输插槽,是由,在那里是收获ESD的能源。

表示的平均总功率是恒定在整个传播期。

3所示。故障概率

3.1。信噪比分析

在本节中,我们分析了瞬时信噪比(信噪比),推导出概率密度函数(PDF)的信噪比。

目的地是由瞬时信噪比 在哪里方差的情况下相应的渠道。我们可以看到,随机变量是一个指数随机变量和参数吗。因此,的PDF是

3.2。中断概率性能分析

对于一个给定的,cluster-to-cluster amplify-and-forward中继网络的互信息 Rx的中断概率可以表示为 在哪里是所需的目标利率。

因为 因此

4所示。优化问题

中断概率是系统性能的一个重要标准。在本节中,我们确定一个最优save-ratio来提高性能的故障概率。假设比特的数据生成和传播的时间段内持续时间秒,对于一个给定的save-ratio数据交付只发生在最后一个每个时间段的秒,有效率的结果比特/秒。在本节中,我们研究之间的关系和中断概率。

考虑如下的优化问题: 根据(7),优化问题可以写成 根据,,,我们可以重写的问题 因此,最优是由 (11),我们可以发现基于黄金分割搜索和抛物线插值的数值解技术(15]。

5。数值例子

在本节中,我们评估该传输方案的性能。首先,我们将计算互信息和中断概率和save-ratio,分别。然后,我们将计算最小中断概率。因此,我们将推导最优save-ratio。

在我们的模拟中,我们考虑BPSK调制通信系统。瑞利衰落信道,和路径损耗指数是设置为2。不失一般性,我们假设source-to-receiver距离标准化为1,两个节点之间的通道先验知识。瑞利衰落和单位方差的随机变量。此外,我们还假定目标传输信息和时间段。因此,目标传输速度 。

图1显示了系统互信息与save-ratio。图2说明了save-ratio影响的中断概率。从图可以看出2,系统互信息增加save-ratio改变从0到1,由于瞬时信噪比的改善目标。的save-ratio影响故障表现非常明显,可以看到从图2。save-ratio接近0时,几乎没有能量所需的发射机发送数据,所以信噪比低,中断概率几乎是1。如果save-ratio接近1,虽然是能量发射器,目标传输速率往往。因此,中断概率非常高。可以观察到,有一个最优决策save-ratio发射器实现最优的中断性能。

在图3,我们策划最优系统的中断概率。从这个图中,我们可以看到,最优save-ratio方案减少了停机概率比其他情况下。

6。结论

在本文中,我们研究了能量收获条件下无线系统。我们建立了系统的中断性能之间的关系和传输协议。此外,我们提出了一个优化方法来优化通过寻找最优save-ratio系统宕机的性能。我们也为如何中断概率随save-ratio之间的中断性能和比较nonoptimal save-ratio和假设下的最优save-ratio瑞利衰落信道。仿真结果表明,实现显著的增益提出最优方案。如果我们选择的最佳save-ratio传播,我们可以实现最小化的中断性能。和最优方案可以提高效率和可靠性的能量收集无线传感器网络,这意味着这样的能量收集方法承诺进行进一步的性能改进。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这部分工作是由中国国家自然科学基金支持下拨款61372088,61271257,和61328102,该项目由高素质人才的引进和开发项目北京市机构(CIT&TCD20130320)。

引用

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