[发明专利]一种分布式天线无线能量传输网络架构设计方法

摘要

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。

主权项

1.一种分布式天线无线能量传输网络架构设计方法，其特征在于，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代表路径损耗指数；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：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：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：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时的分布式天线最小高度hD，从而使得小区内避免出现电磁辐射禁区；具体如下：假设分布式天线均匀分布在半径为r的圆上时，分布式天线最小高度hD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，因此有其中，hC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：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：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，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hD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：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，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★。