具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图3所示，本发明针对地下无线供能网络引入后向散射技术，设计了一个多用户的后向散射辅助地下无线供能传感网络系统，以最大化整体网络吞吐量为目的，通过时分多址的接入方式为地下传感网络中的各个节点分配后向散射通信、无线能量传输和无线信息传输的时隙，在保证可靠链路的前提下实现网络整体吞吐量优化，主要包括以下步骤：

1)首先，地下传感节点向射频能量源发送请求信息；

2)然后，射频能量源为每一个地下传感节点，根据当前信道状态信息和实际的非线性能量采集过程，计算最优时隙分配方案，并将之根据每一个节点序号广播给各个地下传感节点；

3)最后，所得的最优时隙方案执行，射频能量源在T时间内向所有传感节点广播射频信号，地下节点根据自身所分配的时隙方案按照序号进行相应的后向散射通信，或进行HTT操作。

各步骤的具体描述如下：

针对步骤1)的说明，地下传感节点向射频能量源发送请求信息，请求射频能量源进行最优时隙分配。在每一个传感节点的发送请求信息中携带本身的地理信息(掩埋深度、节点与接收端距离)以及土壤信息(含水量、土壤黏土含量)等信息用于进行最优时隙分配计算。

针对步骤2)的说明，射频能量源接收到每一个地下传感节点的请求后根据当前的信道状态开始为每一个节点分配最优的后向散射通信时隙、无线充电时隙以及无线通信时隙来保证整体网络吞吐量最大化。最优时隙分配分案具体说明如下：

首先建立一个通用的后向散射辅助地下无线供能传感网络系统，其中包括一个射频能量源、N个有能量采集容量限制的地下传感节点以及一个接收端，整体系统框架如图1所示。每一个地下传感节点都有射频能量采集模块和后向散射通信模块，能够自动切换HTT模式和后向散射模式。在HTT模式下，地下传感节点采集射频能量源提供的射频能量用于后续的主动通信。在后向散射模式下，地下传感节点利用采集射频能量源提供的射频信号将采集的传感信息通过后向散射通信技术传输到接收端。需要注意的是HTT模式和后向散射模式并不可以同时运行，基于上述限制，本发明设计如图2所示的基于时分多址的无线供能和数据传输方案。整体时间块T被分为两个阶段，即后向散射/能量采集阶段和主动通信阶段。在后向散射/能量采集阶段t₀，地下传感节点可以选择后向散射通信或者采集射频能量用于下阶段的主动通信。需要注意的是，在系统中，在一个时间块内，只能有一个地下传感节点进行后向散射通信，否则将会导致节点间的后向散射通信干扰。系统中节点n在时长λ_n进行后向散射通信，其余节点可以从射频源采集能量。因此，节点n在时间块T内的能量采集时长为t₀-λ_n。本发明主要任务即在保证链路可靠性的前提下，考虑能量采集的非线性特性，为每一个地下传感节点平衡好其后向散射通信时隙、能量采集时隙以及主动通信时隙以保证整体网络吞吐量最大化。

最优时隙分配方案的制定需要基于实时信道状态，为此本发明提出系统在后向散射模式以及HTT模式下单个地下传感节点可达吞吐量模型。

在后向散射模式下，射频能量源将射频信号通过下行链路传输到地下传感节点，在此过程中主要有空气损耗、空气-土壤分界面折射损耗和地下土壤损耗，因此路径损失可以由如下公式表征：

其中，为传感节点n的路径损失，P_t为射频能量源的发射功率；G_PS和G_US分别表示射频能量源和地下传感节点的天线增益；为射频能量源至地下传感节点的空气损耗；为空气-土壤分界面折射损耗；为射频能量源至地下传感节点的地下土壤损耗；和分别表示传感节点n在空气和地下土壤的传播距离。λ₀为传播过程中的电磁波波长；α为衰减常数，可表示为：

其中，β是相移常数，可表示为：

其中，μ_r是土壤的相对磁导率，μ₀是自由空间的磁导率，ε₀是自由空间的介电常数，ε′和ε″分别为土壤介电常数的实部和虚部，可以由MBSDM模型确定，即(7)-(22)。只需要给定土壤的黏土百分比C、在土壤传播的电磁波频率f、土壤体积含水量m_v，即可求得：

其中，n_m,n_d,n_b,n_f和κ_m,κ_d,κ_b,κ_f分别表示折射率和归一化衰减系数的值，下标m,d,b,f分别表示湿土、干土、土壤结合水、土壤自由水，m_vt是给定土壤的最大部分结合水体积，对于干土、土壤结合水、土壤自由水的折射率和归一化衰减系数表示为：

其中，针对于土壤结合水和土壤自由水的介电常数和损耗因子的实部和虚部由德拜弛豫方程得出：

其中σ_b,f，τ_b,f和ε_0b,0f是分别是跟土壤结合水和土壤自由水相关的电导率、驰豫时间和在低频极限的介电常数。ε_∞为在高频极限的介电常数，在土壤结合水和土壤自由水中均为4.9。上述(7)-(13)中的光谱参数可大量土壤样本得到如下经验公式(14)-(22)

n_d＝1.634-0.539×10^-2C+0.2748×10^-4C² (14)

k_d＝0.03952-0.04038×10^-2C (15)

m_vt＝0.02863+0.30673×10^-2C (16)

ε_0b＝79.8-85.4×10^-2C+32.7×10^-4C² (17)

ε_0f＝100 (18)

τ_b＝1.062×10^-11+3.450×10^-12×10^-2C (19)

τ_f＝8.5×10^-12 (20)

σ_b＝0.3112+0.467×10^-2C (21)

σ_f＝0.3631+1.217×10^-2C (22)

在后向散射通信过程中，地下传感节点n在所分配的后向散射通信时长λ_n内通过反向散射通信技术将传感数据传输到接收节点，反向散射通信效率为η_n。因此，地下传感节点到接收端反向散射通信过程中，主要经历空气损耗、土壤-空气分界面折射损耗和地下土壤损耗，传感节点n在后向散射通信模式下的可达吞吐量可以表示为：

其中，为接收端的信噪比阈值；G_AP是接收端的天线增益；W为地下传感节点后向散射通信到接收端的信道带宽；是接收端的噪声功率；和分别为地下传感节点n到接收端在地下土壤和空气的传播距离，是地下传感节点至接收端的空气损耗；是地下传感节点至接收端的地下土壤损耗；是土壤-空气分界面折射损耗。

在HTT模式中，地下传感节点需要先采集射频能量用于后续的主动通信。首先，地下传感节点n的采集能量通过饱和非线性能量采集模型可以表示为：

其中，常数M_n表示地下传感节点n最大采集的能量限制，a_n和b_n是与能量采集电路配置相关的系数。在实际采集能量的过程中，由于每一个地下传感节点的能量采集电路设计是固定，所以M_n，a_n和b_n这个三个参数较为容易地通过标准曲线拟合得到。(t₀-λ_n)表示地下传感节点n在时间块T内采集能量的总时长。然后在主动通信的阶段中，本系统默认地下传感节点n将采集的全部能量用于数据传输，因此其可达吞吐量可以表示为：

其中，是在主动通信的过程中信号到达接收端的信噪比。当G_PS＝G_US＝G_AP＝1dB时，k_n在式(25)可以展开为：

在本系统中，当电磁波正入射从高密度介质(土壤)传播到低密度介质(空气)时，假设所有射频能量都折射到空气，因此在土壤-空气接触面的无折射损耗，故L_{R_ug2ag}损耗在式(23)(25)和(26)中可以忽略不计。

基于上述的信道模型，本发明以实现最大网络吞吐量R_sum为目的，在保证可靠链路的前提和考虑能量采集的非线性过程下，分配后向散射通信时隙、能量采集时隙以及主动通信时隙来实现优化目的。系统整体网络吞吐量最大化问题可以建模如下：

(C1)-(C5)是本发明中的时间限制，γ_BSC-min和γ_HTT-min表示最低接收信噪比值以保证在后向散射通信和主动通信中的可靠链路传输。上述优化问题是一个凸优化问题，因此我们采用经典的内点法求解其最优解(为每一个地下传感节点分配的后向散射通信/能量采集时隙λ_n和主动通信时隙τ_n)，从而得到最优的时隙分配方案。

3)射频能量源求解到最优时隙分配方案后，开始执行时隙分配方案。在时间块T内，射频能量源根据所得到的最优时隙分配方案向所有地下传感节点广播射频信号能量，接着所有地下传感节点根据自身的时隙安排进行相应的后向散射通信，或进行射频能量捕获，然后按照序号大小依次将传感数据发送到接收端。

实施例

本实施例通过数值仿真来定量分析所设计的最优方案在地下无线供能传感网络的性能，并与两种基准方案进行对比体现本发明有效性。

初始化条件：在本次具体实施方案中，信道带宽设置125千赫兹，载波频率为433兆赫兹，该配置适用于地下无线通信；射频源到地下节点的水平距离设置为1米以保证足够的能量传输；接收端放置在离地1.5米处；接收端的噪声功率设置为-117毫瓦分贝；接收端的信噪比阈值设置为-20分贝；对于实际电路器件，我们设置最大采集功率为0.01毫瓦；根据实际电路器件测量得到能量采集电路参数an＝150，bn＝0.0014；网络中的地下传感节点的数量设置为32个；射频源的发射功率为30毫瓦分贝；地下传感节点的掩埋深度为0.2米；地下传感节点到接收端的水平距离为50～200米；土壤含水量假设为0.1；土壤黏土占比为4％，上述参数配置如表1所示。

表1初始化条件参数说明

将HTT策略(只采用HTT通信协议，即地下传感节点先采集能量再进行主动传输，无后向散射通信技术)和后向散射通信策略(即只有后向散射通信技术，无HTT策略)作为基准方案与所提的后向散射辅助地下无线供能传感网络在不同的通信距离下进行性能比较，具体比较结果如图4所示。从图中可以看出我们所提出的方案由于引入了后向散射通信技术能够充分利用HTT策略中采集能量的时隙，从而得到比其他两种基准方案更高的整体网络吞吐量。在节点到接收端的不同距离下的整体网络吞吐量以及所提方案性能增益如表2所示。具体来说，本方案相对于后向散射通信策略和HTT策略在整体网络吞吐量方面平均分别提高了47％和12％。

表2节点到接收端的不同水平距离下三种策略的网络整体吞吐量和所提方案增益结果

综上，本发明针对后向散射辅助地下无线供能传感网络系统，在考虑饱和非线性能量采集模型和保证链路可靠性的前提下，通过制定最优时隙分配策略，实现最大化网络吞吐量，提高后向散射辅助地下无线供能供能网络部署效率。