物联网中无线能量传输机制研究

来源 :北京邮电大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:yudanlei198
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物联网是下一代无线通信系统重要概念。其万物互联的核心思想旨在将各类物理层的移动设备、传感设备、中继设备在不需要人为介入的情况下通过网络互连互通,从而为用户提供更好的服务。为了实现这一设想,系统必须要为物联网系统特别是各类传感设备提供长期、稳定的能量供给支撑。这无疑是物联网在商业化过程中必须要面对的重要瓶颈之一。在不同的能量供给方式中,从无线射频信号中收集能量的方式具有操作便捷、应用方便、来源稳定等诸多优势,近些年已经被证明是最有发展前景的一种绿色供能解决方案。本文将关注点放在具备无线能量收集技术的物联网系统中,并基于契约理论研究其中的无线能量传输机制。具体来说,考虑由射频能量源、物联网网关、多个物联网传感设备组成的物联网系统。其中射频能量源通过不同的传输功率来提供无线能量传输服务,并从中获益。每个无线传感设备不具备稳定的能量供给,但是可以从射频信号中收集能量并支付给射频能量源一定的报酬。同时,各个传感设备通过收集到的能量将其感知数据传输到物联网网关。在上述系统中,考虑信息不对称的物联网场景,即各个传感设备具有一定的隐私信息(包括其信道状态、能量转化率等),射频能量源只能获得相关的统计分布规律,而不知道每个传感设备具体的隐私信息。首先考虑单维度的隐私信息情况,即传感设备具有不同的信道状态、相同的能量转化率。为了实现利益的最大化,射频能量源需要设计一组由不同的传输功率和相应的报酬组成的契约,使得每个传感设备根据其信道状态选择的契约条款刚好是为该类传感设备设计的。因此,射频能量源设计的契约是可行的当且仅当其满足所有的激励相容性和个体理性约束条件。在该问题中,最优契约设计是一个非凸优化问题,求解最优契约具有很大的难度。首先通过分析契约可信性的充分条件和必要条件,得到了针对任意一组传输功率的最优报酬。其次,针对最优传输功率问题,本文提出了两种高效的方法进行求解。最终求解得到的最优功率分配和相应的报酬即为该物联网系统中的最优传输功率分配方案。另外,本文进一步考虑了多维度的信息不对称型场景,即各个无线传感设备具有不同的信道状态和能量转化率。多维度的隐私信息为实现全局的激励相容条件增加了很大的难度。在求解多维度隐私信息场景下的最优契约问题中,本文借助了经济学中的无差异曲线的概念。具体来说,本文发现传感设备的无差异曲线的斜率(边际替代率)可以体现该传感设备对于额外的传输功率的需求程度。同时,射频能量源为了实现全局的激励相容条件,必须为具有较大边际替代率的传感设备提供较大的传输功率。在这一结论下,可以将多维度的信息不对称问题转换为单维度信息不对称,并通过上述方法求解最优的传输功率分配方案。
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