陳東華
(淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,安徽 淮北 235000)
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)通過信息的感知、處理和通信等手段,以實現(xiàn)萬物互聯(lián)進而構(gòu)建智能世界的目標(biāo)[1-2].近年來,隨著無線傳感技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)已逐步應(yīng)用于智能家居、車聯(lián)網(wǎng)、人體局域網(wǎng)等諸多領(lǐng)域[3-5].實際應(yīng)用中,如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,物聯(lián)網(wǎng)末端設(shè)備通常工作在隱蔽角落甚至環(huán)境惡劣的場景,加之長時間工作等特點,導(dǎo)致末端設(shè)備的供電面臨挑戰(zhàn).為保障物聯(lián)網(wǎng)末端設(shè)備的正常工作,近年來提出的能量自持續(xù)(energy self-sustainability,ESS)IoT得到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注[6-8].ESS的基本思想是在物聯(lián)網(wǎng)終端增加能量采集(energy harvesting,EH)功能,IoT 終端通過采集環(huán)境能量或發(fā)射機的射頻能量實現(xiàn)無線供能,避免電池供電需要頻繁更換電池的缺點,減輕設(shè)備維護的工作負擔(dān).
按照EH 方式不同,能量自持續(xù)通信可分為同時信息能量轉(zhuǎn)移(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)和采集后傳輸(harvest-then-transmit,HTT)2種工作協(xié)議[9-10],前者通過在IoT終端設(shè)備前端安裝功分(power splitting,PS)器實現(xiàn),功分器將接收到的信號按比例分成兩路,一路送入信息解碼電路,一路送入EH 電路,從而實現(xiàn)信息和能量的同時傳輸;后者以兩階段時分(time splitting,TS)方式工作,在第一階段,IoT終端設(shè)備采集信息接入點(access point,AP)發(fā)來的能量信號,第二階段,IoT終端設(shè)備利用采集的能量向AP發(fā)送信息.從信息傳輸?shù)慕嵌葋砜矗罢邔儆谙滦行畔鬏?,適用于對終端設(shè)備的控制或發(fā)送指令應(yīng)用,后者屬于上行信息傳輸,適用于信息的感知和獲取場景.
在交互式應(yīng)用場景,需要上下行信息的雙向傳輸,當(dāng)前的能量自持續(xù)物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)大多屬于上行信息傳輸或下行信息傳輸[11-12],對于雙向信息交互應(yīng)用卻鮮有研究,且有關(guān)IoT雙向信息交互的研究多局限于中繼輔助的傳輸系統(tǒng).不僅如此,能量自持續(xù)也僅針對輔助中繼,如文獻[13]中繼輔助的AP和IoT終端之間的雙向信息傳輸,文獻[14]的中繼輔助IoT終端設(shè)備之間的雙向信息傳輸,都屬于這種情況.為實現(xiàn)交互業(yè)務(wù)場景下IoT終端的能量自持續(xù),本文結(jié)合PS和TS 2種傳輸結(jié)構(gòu),給出一種能量自持的IoT雙向信息傳輸系統(tǒng),為進行系統(tǒng)設(shè)計,以系統(tǒng)功耗最小為目標(biāo),以上下行接收機信噪比為約束,構(gòu)造優(yōu)化問題,為求解優(yōu)化問題,將其等效變換為凸優(yōu)化問題,從而采用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件得到封閉解.
系統(tǒng)包含一個AP 和一個IoT 設(shè)備(IoT device,IoD),IoD 發(fā)射信號的能量采集自AP 發(fā)送的射頻信號.
為實現(xiàn)雙向信息傳輸,考慮等長兩階段傳輸協(xié)議如圖1所示,即把整個傳輸時間劃分成等長的兩個時隙,并歸一化每時隙為單位時間長度.第一階段,AP以SWIPT方式向IoD同時轉(zhuǎn)移信息和能量,IoD接收到的信號為
圖1 等長兩階段傳輸協(xié)議
其中:x為單位能量下行鏈路發(fā)送信息信號,h為傳輸信道響應(yīng),p為AP的發(fā)送功率,n1為零均值方差的加性高斯白噪聲,上標(biāo)*表示復(fù)共軛.IoD 以功分方式把接收信號分流為信息解碼(ID)和能量采集兩路,如圖2所示,定義功率分配因子為ρ,由式(1)可得IoD的接收SNR和采集到的能量分別為
圖2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備PS接收機結(jié)構(gòu)
其中:s為單位能量上行鏈路發(fā)送信息信號,n3為零均值方差的加性高斯白噪聲.不難看出,式(4)利用上下行信道互異性,由于上下行采用時分傳輸,上下行信道工作在同一頻率,在信道時變可忽略的條件下滿足信道互異性;同時可見,IoD的發(fā)射功率完全來自第一階段從AP采集到的功率.由式(4),AP的接收信噪比(signal noise ratio,SNR)為
為系統(tǒng)優(yōu)化,以系統(tǒng)功耗最小化為目標(biāo),以上下行接收SNR為約束構(gòu)造優(yōu)化問題:
問題(6)的原始形式為非凸形式,但經(jīng)簡單的變形可將其變換為凸形式,具體步驟如下,首先將上下行SNR約束等效變換為
由凸優(yōu)化理論知,當(dāng)變量z >0 或z <0 時為凸函數(shù),因此約束(7)(8)為凸約束.注意這里關(guān)于凸凹性的定義用工程領(lǐng)域國際通用方式[15],用約束(7)(8)分別代替優(yōu)化問題(6)中的SNR 約束可得優(yōu)化問題:
因目標(biāo)函數(shù)為線性函數(shù),約束為凸約束,故優(yōu)化問題(9)為凸優(yōu)化問題.由凸優(yōu)化理論,凸優(yōu)化問題在最優(yōu)解處滿足KKT條件,在最優(yōu)解處其約束為緊約束[15],即滿足
聯(lián)立解(10)(11)構(gòu)成的二元一次方程可得ρ和p的最優(yōu)解分別為
圖3 功分因子ρ 隨SNR門限變化的關(guān)系曲線
圖4給出AP發(fā)射功率隨著SNR門限變化的關(guān)系曲線.無論上行SNR變大還是下行SNR變大,系統(tǒng)所需傳輸功率都必須增大以滿足傳輸性能提高的要求,因此圖4中結(jié)果顯示為系統(tǒng)功耗與SNR門限的正比關(guān)系.圖3和4仿真曲線的變化規(guī)律與系統(tǒng)的實際工作情況完全一致,從而證明系統(tǒng)設(shè)計的正確性.
圖4 系統(tǒng)功率p 隨SNR門限變化的關(guān)系曲線
給出一種能量自持續(xù)雙向IoT信息傳輸方法,通過系統(tǒng)建模和模型求解,得到系統(tǒng)最優(yōu)工作狀態(tài),數(shù)值分析表明,理論結(jié)果和實際工作情況一致,證明所給傳輸方法的可行性.