华南理工大学冯义志获国家专利权
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龙图腾网获悉华南理工大学申请的专利一种WPCN水声通信系统资源分配方法获国家发明授权专利权,本发明授权专利权由国家知识产权局授予,授权公告号为:CN115378513B 。
龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-07-08发布的发明授权授权公告中获悉:该发明授权的专利申请号/专利号为:202210873038.4,技术领域涉及:H04B13/02;该发明授权一种WPCN水声通信系统资源分配方法是由冯义志;张宇航;宁更新;张军;季飞设计研发完成,并于2022-07-22向国家知识产权局提交的专利申请。
本一种WPCN水声通信系统资源分配方法在说明书摘要公布了:本发明公开了一种WPCN水声通信系统资源分配方法,该方法通过OFDM调制技术和WPCN无线供能技术,可在保证通信质量的前提下为水声通信网络终端传感器进行无线能量补充。该方法在接入点S配备多个用于传输能量的发射换能器多天线,通过对接入点S天线阵列进行能量波束成形,将能量信号发送给终端传感器R,使得终端传感器R的接收能量最大化,终端传感器R利用收集的能量进行信息传输。本发明以最大化系统收集的能量为目标,将优化问题拆分为两个子优化问题,即对波束成形矩阵和时隙分配因子进行联合优化,得到最优波束成形矩阵和最优时隙分配因子,实现能量收集的最大化,可显著提高无线能量传输效率。
本发明授权一种WPCN水声通信系统资源分配方法在权利要求书中公布了:1.一种WPCN水声通信系统资源分配方法,所述WPCN水声通信系统包含一个配备N个发射换能器和1个接收换能器的接入点S和一个配备1个发射换能器和1个接收换能器的终端传感器R,发射换能器又称为天线,传输时间为T,在第一阶段的τ0T时间内,接入点S向终端传感器R传输能量,终端传感器R进行能量收集,其中τ0是时隙分配因子,用于分配能量传输和信息传输的时间占比;在第二阶段的1-τ0T时间内,终端传感器R利用第一阶段所收集的能量向接入点S传输信息,且两阶段所传输的信号都将经过正交频分复用OFDM技术进行调制,获得的正交频分复用OFDM符号块经由K个子载波进行传输,其特征在于,所述资源分配方法包括以下步骤: S1、接入点S向终端传感器R广播指令,要求终端传感器R发送训练符号序列给接入点S,接入点S根据接收到的训练符号序列对接入点S与终端传感器R之间的信道状态信息进行估计,接入点S与终端传感器R之间的信道矢量为Gk=[G1[k],G2[k],…,Gn[k]…,GN[k]]T,其中[·]T代表对矩阵或矢量求转置操作,n=1,2,…,N,k=1,2,…,K,Gn[k]是第k个子载波上接入点S的第n根天线与终端传感器R之间的信道状态信息; S2、终端传感器R向接入点S广播指令,要求接入点S发送训练符号序列给终端传感器R,终端传感器R根据接收到的训练符号序列进行信道估计,获取终端传感器R和接入点S之间的信道状态信息H=[H[1],H[2],…,H[K]]T,其中H[k]是第k个子载波上终端传感器R与接入点S之间的信道状态信息; S3、接入点S生成K维能量信号矢量X=[x1,x2,…,xk,…xK]T,其中,xk是接入点S在第n根天线上第k个子载波上发给终端传感器R的信息比特,第k个子载波上所发送的信息相同;定义接入点S能量波束成形矩阵W=[w1,w2,…,wk…,wK],其中wk=[w1[k],w2[k],…,wn[k]…,wN[k]]T是接入点S相应于第k个子载波的波束成形矢量,wn[k]是接入点S第n根天线上第k个子载波的波束成形因子; S4、定义WPCN水声通信系统最大化收集能量的优化问题,并通过凸优化求解接入点S波束成形矩阵W的最优值与时隙分配因子τ0的最优值其中,是第k个子载波上的最优波束成形矢量,wn[k]*是接入点S第n根天线上第k个子载波的最优波束成形因子;所述步骤S4过程如下: S4.1、定义最大化系统收集能量优化问题如下目标函数P1: 式中,E是终端传感器R收集到的总能量,E同时是WPCN水声通信系统最大收集能量,其中|·|表示求模运算,Nfk是第k个子载波上的非白色高斯噪声功率谱密度,其中fk是第k个子载波的频率,r0是可达信息速率,η是能量接收机的能量转换效率,rth是传输速率门限值,PS是接入点S的最大发射功率,Nfk的取值与第k个子载波的频率fk相关; S4.2、通过凸优化工具包CVX对最大化系统收集能量的优化问题进行求解,过程如下: S4.2.1、对接入点S的水声换能器阵列波束成形矩阵W=[w1,w2,…,wk,…,wK]和时隙分配因子τ0进行初始化,获得初始值以及可行点和其中表示第0次迭代接入点S发送的能量波束,表示第1次迭代接入点S发送的能量波束,是第0次迭代分配给接入点S的能量发送时间,是第1次迭代分配给接入点S的能量发送时间,令设置收敛容忍度ε和迭代变量初始值n=1; S4.2.2、利用所述的可行点Wn和使用凸优化工具包CVX求解步骤S4.1中优化问题,得到在第n次迭代的最优解 S4.2.3、利用和使用凸优化工具包CVX求解步骤S4.1所中优化问题,得到在第n次迭代的最优解 S4.3、根据步骤S4.1中目标函数P1,计算WPCN水声通信系统在第n次和第n-1次迭代所收集到的总能量,分别为 分别表示第n-1、n次迭代接入点S发送的最优能量波束,分别是第n-1、n次迭代分配给接入点S的最优能量发送时间; S4.4、判断是否成立,若成立则停止迭代,输出所述优化问题的最优解否则令 n=n+1,返回步骤S4.2.2; S5、接入点S利用水声换能器阵列波束成形矩阵W的最优值W*,对接入点S的发送能量信号矢量X进行波束成形,得到发送信号在第一阶段τ0 *T时间内将信号发送给终端传感器R;终端传感器R进行能量收集,并在第二阶段1-τ0 *T时间内将收集到的能量用于信息传输。
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