[发明专利]一种利用环境RF无线充电的通信设备间的通信方法

权利要求书

1.一种利用环境RF无线充电的通信设备间的通信方法，其特征在于：使用发射机S和接收机D进行通信，所述发射机S能够执行对数据主动传输模式或对数据反向散射传输模式，并且进行RF能量收集；所述接收机D可以解调来自调制的反向散射和有源RF传输的数据；

所述数据传输模式可以由发射机S通过接收选择信令来完成；

具体通信方法包括如下步骤：

第一步，设定发射机S与接收机D的系统模型；

设定环境中存在射频信号源Φ和Ψ，分别处于不同的频带上；

所述发射机S在信号源Φ环境下采集RF能量；

当发射机S处于环境反向散射工作模式，它将对来自信号源Φ的入射信号执行负载调制；

当发射机S处于无线供电通信模式时，它将从信号源Φ的环境中收集能量，并利用Ψ环境中的信号源来传输信号；

接收机D接收由发射机S发送信号的过程中会受到Ψ环境中RF信号的干扰；

第二步，设定相应系统参数；

设属于信号源Φ的环境中发射机的发射功率为P_A；

设属于信号源Ψ的环境中发射机的发射功率为P_B；

设X_S表示发射机的位置，X_D表示接收机的位置；

a为射频信号源Φ的位置，b为射频信号源Ψ的位置；

第三步，计算发射机接受功率信号的功率：

对X_S处的接收机天线能接收到信号源Φ的RF信号的功率为：

P_I＝P_A∑_a∈Ah_a，S||X_a-X_S||^-μ；

其中h_a，S表示环境发射器a∈A和S之间的信道增益，μ表示路径损耗指数，X_a表示信号源Φ的位置；

由于不同的硬件电路消耗不同的能量，所以当混合发射机以不同模式工作时，所需要的最低功率也不一样；

同时设ρ_B和ρ_H分别表示环境反向散射和无线供电通信模式下的电路阈值功率；

如果发射器无法获得足够的能量，则不能工作；

第四步，对此系统在纯环境反向散射模式下的通信数据建模；

在环境反向散射过程中，将P_H表示为从天线摄入的RF信号转换为直流电的信号功率，将P_R表示为剩余作为调制信号的入射信号功率；

在纯环境反向散射模式下，S处的能量收集率表示为：

其中β表示RF到直流电能量转换的效率，取值范围为0＜β≤1，η表示RF到直流电能量转换的入射RF功率的分数；

第五步，计算发射机S与接收机D之间的距离为：

d＝||X_S-X_D||；

第六步，在纯环境反向散射模式下，由发射机S反向散射到接收机D处的信号功率可以计算为：

P_S，D＝δP_I(1-η)h_S，Dd^-μ；

其中δ表示发射天线的后向散射效率，与天线孔径有关，取值范围为0＜δ≤1，h_s，D表示发射机S和接收机D之间的信道增益；

第七步，如果发射机在纯环境反向散射模式下正常工作，则得到的信噪比为：

其中σ²是加性高斯白噪声的功率谱密度；

如果接收的信噪比V_B高于接受机D最低可接受的阈值τ_B，则接收机D能够以预先设计的速率T_B成功解码来自发射机S反向散射的信息；

第八步，对此系统在纯无线供电通信模式下的通信数据建模；

当发射机S采用无线供电通信模式时，发射机以基于时隙的方式工作，将每个时隙分成两个周期，第一周期的时间分数为ω，用于收集能量，在此期间匹配网络的阻抗与天线的阻抗完全匹配以最大化能量转换效率，能量收集率为：

将收获的能量为电路供电，并将多余的能量储存在能量存储器中；

第九步：当收集到的能量足以启动发射电路，则发射机S将在以时间分数为(1-ω)的第二周期依靠存储的能量进行主动信号发射；

在主动信号发射阶段，发射机S的发射功率为：

式中H是无线供电通信模式；

接收机处的接收信号与干扰噪声之比可以表示为：

h’_S，D表示发射机S和接收机D在Ψ环境之间的信道增益，h_b，D表示接收机和信号源b的信道增益，X_b-X_D表示信号源Ψ与接收机D之间的距离；

B表示环境反向散射模式，P_B表示环境反向散射下的功率，X_b表示信号源Ψ的位置，X_D表示接收机D的位置；

第十步，对此系统在混合模式下的通信数据建模；

基于功率阈值和信噪比阈值的混合动态协议来判断两种通信协议的切换：

情况1：当检测到发射机S存储的能量低于主动发送信息所需要的阈值能量ρ_H，且接收机D处的信噪比V_B高于来自反向散射信息解码所需的阈值τ_B；

即当且V_B＞τ_B时，使用环境反向散射模式；

情况2：当检测到发射机S存储的能量高于主动发送信息所需要的阈值能量ρ_H，且接收机D处的信噪比V_H高于来自反向散射信息解码所需的阈值τ_B；

即当且V_H＞τ_B时，使用无线供电通信主动发射模式；

情况3：当检测到发射机S存储的能量低于主动发送信息所需要的阈值能量ρ_H，但接收机D处的信噪比V_B也低于来自反向散射信息解码所需的阈值τ_B；

即当且V_B＜τ_B时，使用环境反向散射模式；此时无线供电通信模式由于电压过小无法工作；

情况4：当检测到发射机S存储的能量高于主动发送信息所需要的阈值能量ρ_H，同时接收机D处的信噪比V_B也高于来自反向散射信息解码所需的阈值τ_B；

即当且V_B＞τ_B时，分以下两种情况使用：

引入风险函数C_BH，C_hh，C_HB，C_BB，设P(B)为采用反向散射模式合适的概率，设P(H)为采用无线供电通信模式合适的概率；

则由最小风险贝叶斯准则计算门限值l(x)为：

式中C_BH，C_HH，C_HB，C_BB均为引入的风险函数；

当l(x)＞0.5时，选择为P(B)下的风险，即采用环境反向散射模式；

当l(x)＞0.5时，选择为P(H)下的风险，即采用无线供电通信模式。