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一种分布式天线无线能量传输网络架构设计方法

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一种分布式天线无线能量传输网络架构设计方法，具体来说，就是分布式天线无线能量传输网络架构。本发明考虑的是圆形覆盖小区，并考虑均匀圆形天线布局。本发明求得了能量信标(Power Beacon，PB)使用分布式天线时，小区内用户的平均收集直流功率和PB分布式天线的平均无线能量传输效率的闭式表达式；考虑到FCC的电磁辐射要求，本发明首先求出了小区内无辐射禁区时分布式天线的最小天线高度的闭式表达式；其次，为了最大化分布式天线的平均无线能量传输效率，本发明求解得到了最优的分布式天线同心圆半径的闭式表达式。实验结果表明，使用本发明公开的分布式天线无线能量传输架构，无线能量传输的平均传输效率相比于集中式天线的性能得到了显著的提高。

著录项

公开/公告号CN106100150A

专利类型发明专利
公开/公告日2016-11-09

原文格式PDF
申请/专利权人西安交通大学;
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申请/专利号CN201610438345.4
发明设计人张超;赵广河;
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申请日2016-06-17
分类号H02J50/20(20160101);H02J50/23(20160101);H02J50/90(20160101);
代理机构61200 西安通大专利代理有限责任公司;
代理人闵岳峰
地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路28号
入库时间 2023-06-19 00:52:11

法律信息

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态
2022-05-27

未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H02J50/20 专利号:ZL2016104383454 申请日:20160617 授权公告日:20190205

专利权的终止
2019-02-05

授权

授权
2016-12-07

实质审查的生效 IPC(主分类):H02J50/20 申请日:20160617

实质审查的生效
2016-11-09

公开

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说明书

技术领域：

本发明属于射频无线能量传输技术领域，具体涉及一种分布式天线无线能量传输网络架构设计方法。

背景技术：

传统无线网络(比如无线传感器网络)节点能量有限，使得网络寿命受限，极大地影响了网络的性能，尤其是在对Q_OS(服务质量)有要求的网络，影响更为突出。而远距离无线能量传输可以通过无线的方式给网络中的节点充电，从而延长网络节点的使用寿命。另外，在传感器网络当中，能量受限的网络节点有的被嵌入到墙体里面，有的在人体内部，有的则处在偏远地区或者是有毒环境中，如果人工“充电”或“换电池”，费用高，不方便而且有时面临危险。目前智能手机、掌上电脑、剃须刀、电动牙刷等充电都需要连接错综复杂的连接线，人们出差在外带着充电线很不方便。为了克服这些缺点，无线能量传输技术应运而生，而且必将给人们的生活带来前所未有的便捷。

远距离无线能量传输也有自己的缺点，其中最大的缺点就是效率比较低，如果使用波束形成，还会有严重的电磁辐射安全问题。如何在满足FCC(美国联邦通信委员会)安全辐射的要求下提高无线能量传输效率是目前科研人员面临的主要瓶颈。分布式天线系统(Distributed Antenna Systems,DAS)是一项非常成熟的通信技术。DAS可以增加覆盖，增大小区平均吞吐量，尤为重要的是可以显著改善小区边缘用户的吞吐量性能，在保证小区容量固定时还可以极大地节省基站发射功率。其主要的原因在于分布式天线可以缩短天线到用户的平均距离。尽管分布式天线系统技术已经非常成熟，但到目前为止，有关分布式天线系统的论文研究的依然是信息传输技术。另外，截止到目前，有关无线能量传输技术的大部分研究还是集中式天线无线能量传输，研究分布式天线无线能量传输的技术几乎没有。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种分布式天线无线能量传输网络架构设计方法，以克服远距离射频能量传输过程当中信号接收功率受大尺度衰减影响较大的缺陷。本发明设计的网络架构，可以避免能量充电区域出现辐射禁区并且可以最大化平均无线能量传输的效率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种分布式天线无线能量传输网络架构设计方法，包括以下步骤：

1)假设能量源PB的分布式天线同心圆半径和高度分别为r和h_D时，求得采用分布式天线无线能量传输技术时小区内所有用户的平均收集直流功率和能量源PB的平均无线能量传输效率

2)根据FCC的电磁辐射要求，求得分布式天线同心圆半径为r时的最小天线高度h_D，从而使得小区内避免出现电磁辐射禁区；

3)根据求出的分布式天线最小高度h_D和分布式天线同心圆半径r的关系，代入平均无线能量传输效率公式求解最优的分布式天线同心圆半径r使得平均无线能量传输效率最大化。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，圆形小区内用户的平均收集直流功率确定如下：

圆形小区内坐标为(x,y)处的用户的平均收集直流功率为

${\overline{P}}_{o u t} (x, y) = K_{0} Σ_{i = 1}^{N} \frac{P_{i}}{{d_{i}}^{α}}$

其中ξ代表能量转换效率，I_S代表二极管反向饱和电流，c代表常数路径损耗因子，σ_n²代表小尺度衰落循环对称复高斯变量的方差，ρ代表肖特基二极管质量因子，V_T代表热电压，P_i代表第i个分布式天线的发送功率，d_i代表用户到第i个分布式天线的距离，α代表路径损耗常数；

情况1：当路径损耗指数为2时，对应于郊区环境，此时信号传播近似为自由空间模型，小区内用户平均收集直流功率为：

${\overline{P}}_{o u t - D A} = \frac{K_{0} P}{R^{2}} l n (\frac{R^{2} + {h_{D}}^{2} - r^{2} + \sqrt{{(R^{2} + {h_{D}}^{2} - r^{2})}^{2} + 4 r^{2} {h_{D}}^{2}}}{2 {h_{D}}^{2}})$

分布式天线的平均无线能量传输效率为用户的平均收集直流功率除以能量源PB的总发射功率，即：

${\overline{η}}_{o u t - D A} \overset{Δ}{=} \frac{{\overline{P}}_{o u t - D A}}{P} = \frac{K_{0}}{R^{2}} l n (\frac{R^{2} + {h_{D}}^{2} - r^{2} + \sqrt{{(R^{2} + {h_{D}}^{2} - r^{2})}^{2} + 4 r^{2} {h_{D}}^{2}}}{2 {h_{D}}^{2}})$

情况2：当路径损耗指数为4时，对应于城镇小区，此时信号传播近似为两径模型，小区内用户平均收集直流功率为：

${\overline{P}}_{o u t - D A} = \frac{K_{0} P}{2 R^{2}} \frac{R^{2} - {h_{D}}^{2} - r^{2} + \sqrt{R^{4} + R^{2} (2 {h_{D}}^{2} - 2 r^{2}) + {(r^{2} + {h_{D}}^{2})}^{2}}}{{h_{D}}^{2} \sqrt{R^{4} + R^{2} (2 {h_{D}}^{2} - 2 r^{2}) + {(r^{2} + {h_{D}}^{2})}^{2}}}$

分布式天线的平均无线能量传输效率为：

${\overline{η}}_{o u t - D A} \overset{Δ}{=} \frac{P_{o u t - D A}}{P} = \frac{K_{0}}{2 R^{2}} \frac{R^{2} - {h_{D}}^{2} - r^{2} + \sqrt{R^{4} + R^{2} (2 {h_{D}}^{2} - 2 r^{2}) + {(r^{2} + {h_{D}}^{2})}^{2}}}{{h_{D}}^{2} \sqrt{R^{4} + R^{2} (2 {h_{D}}^{2} - 2 r^{2}) + {(r^{2} + {h_{D}}^{2})}^{2}}}$

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，小区内无辐射禁区时的分布式天线最低天线高度和分布式天线同心圆半径的关系确定如下：

假设分布式天线均匀分布在半径为r的圆上时，天线高度最小为h_D使得整个小区内任何一点处都能满足FCC安全辐射要求，根据IEEE安全辐射标准C95.1-2005，在频带2GHz～100GHz范围内，人类暴露在电磁场中的安全辐射为10W/m²，无线能量传输使用ISM频带，因此有

$\frac{P}{4 {πh}_{C}^{2}} < 10 W / m^{2}$

其中，h_C是一个根据发射功率和FCC安全辐射要求求出的定值，相当于集中式天线无线能量传输时的天线高度；

分布式天线的位置如下坐标所示：

${DAE}_{i} : O_{i} = (r >cos\frac{2 π (i - 1)}{N},r>sin\frac{2 π (i - 1)}{N},h_{D}),\foralli\in[1,N]$

其中r是分布式天线的同心圆半径，根据对称性，最大辐射功率点的坐标如下：

其中ν是最大辐射功率点到圆心的距离，显然有ν≤r；

考虑到集中式和分布式性能对比时的公平性，令集中式和分布式天线的最大辐射相等，于是有

在分布式天线趋于无穷大时，得到小区内无辐射禁区时分布式天线的高度和分布式天线同心圆半径之间的关系如下：

$h_{D} = (\begin{matrix} \sqrt{{h_{C}}^{2} - r^{2}}, & 0 \leq r < \frac{h_{C}}{\sqrt{2}}, \\ \frac{{h_{C}}^{2}}{2 r}, & \frac{h_{C}}{\sqrt{2}} \leq r \leq R . \end{matrix})$

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，小区内无辐射禁区时，为了最大化分布式天线的平均无线能量传输效率，最优的分布式天线同心圆半径r确定如下：

求解分布式天线Power Beacon最佳天线部署位置；具体来说，就是求解最大化PB的平均无线能量传输效率时最优的分布式天线同心圆半径r；当N趋向于无穷大时，分布式天线最小高度h_D随r的表达式如下，此时，小区内没有禁区，小区内任何一点辐射都满足FCC的安全辐射要求：

情况1：在N趋于无穷大时，当路径损耗指数为2时，优化小区内PB分布式天线的平均无线能量传输效率如下：

$(\begin{matrix} \underset{r}{m a x} & \frac{K_{0}}{R^{2}} l n (\frac{R^{2} + {h_{D}}^{2} - r^{2} + \sqrt{{(R^{2} + {h_{D}}^{2} - r^{2})}^{2} + 4 r^{2} {h_{D}}^{2}}}{2 {h_{D}}^{2}}) \end{matrix})$

s.t.0≤r≤R

求出最优的r为

情况2：当路径损耗指数为4时，优化问题如下：

$(\begin{matrix} \underset{r}{m a x} & \frac{K_{0}}{2 R^{2}} \frac{R^{2} - {h_{D}}^{2} - r^{2} + \sqrt{R^{4} + R^{2} (2 {h_{D}}^{2} - 2 r^{2}) + {(r^{2} + {h_{D}}^{2})}^{2}}}{{h_{D}}^{2} \sqrt{R^{4} + R^{2} (2 {h_{D}}^{2} - 2 r^{2}) + {(r^{2} + {h_{D}}^{2})}^{2}}} \end{matrix})$

s.t.0≤r≤R

利用Sturm定理，在考虑的r∈[0,R]区间上，分布式天线最佳的同心圆半径r的存在的唯一性，进而求出最优的分布式天线的同心圆半径r。

本发明进一步的改进在于，当路径损耗指数为4时，求解最优的分布式天线同心圆半径r的算法选用Sturm定理先来确定正实根的个数，然后采用二分法求解所有的正实根最后比较选出最优的分布式天线同心圆半径r。

相对于现有网络架构，本发明具有如下技术效果：

本发明考虑的是圆形充电小区，小区内均匀地分布着很多的待补充电能的传感器节点。能量辐射源均匀分布在一个半径相同的圆环上，考虑到FCC的辐射要求，本发明首先得到了能量辐射源(Power Beacon,PB)的分布式天线的最低天线高度。在此基础上，通过优化PB的分布式天线的同心圆半径，使得在圆形充电小区内能量源PB的平均无线能量传输效率可以最大化。本发明得到了避免小区内出现辐射禁区时，能量源PB的分布式天线的最低天线高度的闭式表达式，在此基础上，得到了最大化平均无线能量传输效率时分布式天线的最佳同心圆半径的闭式表达式。实验结果表明，使用本发明的能量源PB分布式天线部署结构，可以避免小区内出现辐射禁区；另外，平均无线能量传输的效率相对于传统的集中式无线能量传输技术有明显的提高。

综上所述，本发明利用了分布式天线的优点，使之用于远距离无线能量传输，可以极大地增加远距离无线能量传输效率。其次，在研究分布式天线无线能量传输时，本发明考虑了FCC设定的安全辐射禁区，这是一个创新点，之前的分布式天线包括能量传输的论文中都没有考虑。最后，考虑到分布式天线已经非常成熟，本发明在实现起来也非常简单。

附图说明：

图1为本发明在设计最优的能量源分布式天线高度和同心圆半径时的流程图；

图2为本发明中能量源的分布式天线部署的系统模型示意图；

图3为本发明中避免小区内出现辐射禁区时，能量源的分布式天线最低高度的仿真曲线和理论曲线的对比；

图4为本发明中小区内的用户平均收集直流功率的性能曲线；

图5为本发明中分布式天线PB平均无线能量传输效率的性能曲线。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

假设Power Beacon的覆盖区域是如图1所示的圆盘小区，小区中心为O，半径为R。本发明考虑的是均匀圆形布局分布式天线阵列，Power Beacon有N个分布式天线(为了图示方便，图1中N＝4)，且这些分布式天线均匀分布在半径为r的同心圆上，所有天线等功率分配，且均为全向天线。Power Beacon中央处理器位于O处(为了简化，图中未画出)，中央处理器连接到电网或者有持续能量补充，且主要负责将电能输送到分布式天线处。所有N个分布式天线通过回程链路和中央处理器连接，回程链路通常由光纤或者同轴电缆构成。假设用户单天线且在小区内均匀分布。

本发明给出小区内无辐射禁区时最低的分布式天线高度h_D和最大化分布式天线的平均无线能量传输效率时最优的分布式天线同心圆半径r，包括以下步骤：

1)假设能量源PB的分布式天线同心圆半径和高度分别为r和h_D时，求得采用分布式天线无线能量传输技术时小区内所有用户的平均收集直流功率和PB的平均无线能量传输效率

2)根据FCC的电磁辐射要求，求得分布式天线同心圆半径为r时的最小天线高度h_D，从而使得小区内避免出现电磁辐射禁区；

其中，步骤1)中，圆形小区内用户的平均收集直流功率确定如下：

圆形小区内坐标为(x,y)处的用户的平均收集直流功率为

${\overline{P}}_{o u t} (x, y) = K_{0} Σ_{i = 1}^{N} \frac{P_{i}}{{d_{i}}^{α}}$

其中ξ代表能量转换效率，I_S代表二极管反向饱和电流，c代表常数路径损耗因子，σ_n²代表小尺度衰落循环对称复高斯变量的方差，ρ代表肖特基二极管质量因子，V_T代表热电压，P_i代表第i个分布式天线的发送功率，d_i代表用户到第i个分布式天线的距离，α代表路径损耗常数。

分布式天线的位置如下坐标所示：

${DAE}_{i} : O_{i} = (r >cos\frac{2 π (i - 1)}{N},r>sin\frac{2 π (i - 1)}{N},h_{D}),\foralli\in[1,N]$

其中r是分布式天线的同心圆半径。

情况1：当路径损耗指数为2时，对应于郊区环境，此时信号传播近似为自由空间模型。小区内用户平均收集直流功率为：

${\overline{P}}_{o u t - D A} = \frac{K_{0} P}{R^{2}} l n (\frac{R^{2} + {h_{D}}^{2} - r^{2} + \sqrt{{(R^{2} + {h_{D}}^{2} - r^{2})}^{2} + 4 r^{2} {h_{D}}^{2}}}{2 {h_{D}}^{2}})$

分布式天线的平均无线能量传输效率为用户的平均收集直流功率除以PB的总发射功率，即：

情况2：当路径损耗指数为4时，对应于城镇小区，此时信号传播近似为两径模型。小区内用户平均收集直流功率为：

分布式天线的平均无线能量传输效率为：

上述两个求出的用户收集的平均收集直流功率和分布式天线的平均无线能量传输效率都是闭式表达式。确定小区内用户的平均收集直流功率的原理是先对求出小区内任何一点处用户能够收集的遍历直流功率，就是先对小尺度瑞丽衰落取平均；然后，在对小区内任何一个位置能够收集的平均直流功率取平均，得到用户在整个小区内的平均收集直流功率。确定分布式天线的平均无线能量传输效率的原理是将用户的平均收集直流功率除以PB的总发送功率。事实上，路径损耗为2和4均是两个经典的路径损耗值，而且相当于两个界，这两个界给出了路径损耗指数位于2和4之间的值时，用户的平均收集直流功率和分布式天线的平均无线能量传输效率的上下限。对于我们通过理论分析分布式无线能量传输的性能，这两个界可以给予我们很大的理论指导。

其中，步骤2)中，小区内无辐射禁区时的分布式天线最低天线高度和分布式天线同心圆半径的关系确定如下：

本发明考虑了电磁辐射安全禁区(从而使得本发明考虑的系统参数设置满足FCC的安全辐射的要求)。如图1所示，假设分布式天线均匀分布在半径为r的圆上时，天线高度最小为h_D可以使得整个小区内任何一点处都能满足FCC安全辐射要求。作为性能的比较基准，本发明还考虑了集中式天线无线能量传输技术。根据IEEE安全辐射标准C95.1-2005，在频带2GHz～100GHz范围内，人类暴露在电磁场中的安全辐射为10W/m²(即0.1mW/cm²)。无线能量传输可以使用ISM频带，因此有

$\frac{P}{4 {πh}_{C}^{2}} < 10 W / m^{2}$

其中，h_C是一个根据发射功率和FCC安全辐射要求求出的定值。相当于集中式天线无线能量传输时的天线高度。

分布式天线的位置如下坐标所示：

${DAE}_{i} : O_{i} = (r >cos\frac{2 π (i - 1)}{N},r>sin\frac{2 π (i - 1)}{N},h_{D}),\foralli\in[1,N]$

其中r是分布式天线的同心圆半径，根据对称性，最大辐射功率点的坐标如下：

其中ν是最大辐射功率点到圆心的距离，显然有ν≤r。

考虑到集中式和分布式性能对比时的公平性，令集中式和分布式天线的最大辐射相等，于是有

在分布式天线趋于无穷大时，我们得到了小区内无辐射禁区时分布式天线的高度和分布式天线同心圆半径之间的关系如下：

$h_{D} = (\begin{matrix} \sqrt{{h_{C}}^{2} - r^{2}}, & 0 \leq r < \frac{h_{C}}{\sqrt{2}}, \\ \frac{{h_{C}}^{2}}{2 r}, & \frac{h_{C}}{\sqrt{2}} \leq r \leq R . \end{matrix})$

其中，步骤3)中，小区内无辐射禁区时，为了最大化分布式天线的平均无线能量传输效率，最优的分布式天线同心圆半径r确定如下：

求解分布式天线Power Beacon最佳天线部署位置。具体来说，就是求解最大化PB的平均无线能量传输效率时最优的分布式天线同心圆半径r。对于一般的N，很难求解出闭式的h_D。当N趋向于无穷大时，我们推导出了分布式天线最小高度h_D随r的表达式。此时，小区内恰好没有禁区，小区内任何一点辐射都满足FCC的安全辐射要求。

情况1：在N趋于无穷大时，当路径损耗指数为2时，优化小区内PB分布式天线的平均无线能量传输效率如下：

$(\begin{matrix} \underset{r}{m a x} & \frac{K_{0}}{R^{2}} l n (\frac{R^{2} + {h_{D}}^{2} - r^{2} + \sqrt{{(R^{2} + {h_{D}}^{2} - r^{2})}^{2} + 4 r^{2} {h_{D}}^{2}}}{2 {h_{D}}^{2}}) \end{matrix})$

s.t.0≤r≤R

求出最优的r为

情况2：当路径损耗指数为4时，优化问题如下：

s.t.0≤r≤R

利用Sturm定理，我们验证了在考虑的r∈[0,R]区间上，分布式天线最佳的同心圆半径r的存在的唯一性。然后我们提出一种迭代算法，求出了最优的分布式天线同心圆半径r。

仿真实验和效果分析：

仿真模型参数为：集中式天线高度是h_C＝10m，分布式天线同心圆半径是20m，圆形小区半径是30m，PB的分布式天线个数是100个，PB的总发送功率是20W到200W，路径损耗常数是2或者4，能量转换效率ξ＝0.85。

根据上表的参数仿真了本发明研究的平均收集直流功率和平均无线能量传输效率的性能曲线，并仿真了传统的集中式天线的PB的平均收集直流功率和平均无线能量传输效率的性能曲线，从图4和图5可以分别看出，本发明设计的分布式天线的PB的平均收集直流功率和平均无线能量传输效率能够明显提高平均收集直流功率和平均无线能量传输的效率。

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