一种工业产线无线携能网络资源分配方法与流程

1.本发明涉及工业物联网无线能量收集通信技术领域，具体涉及一种工业产线无线携能网络资源分配方法。


背景技术：

2.与轧件在轧制时产生的显著宏观形变相伴随，轧件的微观晶体组织结构在整个热轧生产过程中也不断地进行着复杂的演变，高质量钢的轧制对于形变、温度等数据异常敏感，全面的工艺过程信息获取对于轧制系统的负荷分配，精确控制以及组织性能具有重要意义。然而，大量的无线网络节点将会导致维护上异常困难，如电池供电导致的节点生存周期不确定，更换电池所需成本过高等。现有的电池供电的传统传感器网络难以满足大规模，低功耗，长生存周期等工业上的基本要求，难以解决连接设备过多带来的运维困难等问题。现有的射频(rf)能量收集技术是一种可以将空间中的电磁波能量转换为可利用的电能和信号的技术，可以充分利用系统能量，但是由于目前技术限制导致收集到的能量较少，并且由于工业电磁环境复杂等因素导致有限的能量难以维持高质量的通信，故提出应用波束赋形技术以提高信噪比，应用ofdm技术提高频谱利用率。


技术实现要素：

3.本发明目的是提供一种具有能量收集中继的带钢轧制产线传感器网络中继功率分配方法，采用一系列通信技术，在最小子信道的阈值约束下最大化总体网络信道容量。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种工业产线无线携能网络资源分配方法，包括如下步骤:
6.步骤1，利用ofdm技术特性定义传感器到rf能量收集中继的网络拓扑，将现场传感器分为若干簇，每簇分配频率范围相同的一组子信道，再将每簇之间的同频传感器物理位置部署得相对较远，从而使得传感器到中继的同频干扰衰落更大，保证信噪比质量，节省频谱资源；
7.步骤2，rf能量收集中继收集来自全部传感器的rf能量，并使用功分器将中继收集到的能量进行分割，一部分用于解码以获得无线能量所承载的信息，另一部分用于能量收集并转发信号；
8.步骤3，应用mimo波束赋形技术，根据信道状态信息确定能量收集中继的多个天线振元的幅值和相位，定向发送信号给汇聚节点，最大限度利用收集的能量，减少能量的浪费，由于波束赋形技术使得rf信号能量具有方向性，故忽略中继与中继之间的能量收集，只考虑中继对传感器的无线rf能量收集，鉴于能量收集中继发射信号功率较小，为保证信道容量，分配较大带宽给中继到汇聚节点的上行信道，并且考虑到由于带宽较大，汇聚节点可能难以接受多个不同频段的大带宽的信号，使多个中继上行信号复用同一频段；
9.步骤4，根据上述步骤2，用于解码的能量以及用于转发的能量是相互矛盾的，其总和为中继收集的总能量，导致中继前后两跳信道容量也是矛盾的，设置合理的功率分割比
有利于节省不必要的能量开支，提高整体信道容量；
10.步骤5，在实际生产应用中，为了保证每条通信链路都能够稳定工作，对传感器到中继以及中继到汇聚节点的信道容量做出约束，使每一个子信道容量都不小于某一阈值，用以提高工业环境下通信的稳定性，满足实际要求；
11.步骤6，根据上述步骤1
‑
6的问题和约束，采用凸逼近和内点算法结合的双层迭代算法求解最优功率分割比，最终使得整体信道容量最大。
12.与现有技术相比，本发明提供的一种工业产线无线携能网络资源分配方法有益效果如下：
13.1.本发明提供一种工业产线无线携能网络资源分配方法，该方法结合现有的正交频分(ofdm)技术把多个传感器节点分配为多个子信道，节约了频谱资源的同时避免相互的干扰，在此基础上又对节点位置进行了合理部署，使用相同子载波的传感器节点分到不同簇中且相距较远，不同正交子载波节点分为同一簇且相距较近，进一步节省频谱资源的同时增强了工业无线传感器网络的可扩展性，再通过凸逼近
‑
内点双层迭代优化算法得出最优的中继功率分割比，能够快速准确地收敛到最优值点，最大化整体信道容量。
14.2.本发明提供一种工业产线无线携能网络资源分配方法，该方法结合多天线mimo波束赋形技术，利用波的干涉原理，通过改变多个振元相位和幅度控制波束方向，从而使有限的能量定向发射给汇聚节点，提高能量利用率和信噪比。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明中通信链路拓扑图。
17.图2为本发明传感器结构图。
18.图3为本发明能量收集中继功能结构图。
19.图4为本发明中继能量收集拓扑图。
20.图5为本发明算法流程图。
具体实施方式
21.下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.如图1所示，为本发明提出的模型拓扑，其中，带有同样标号的传感器到本簇中继的通信链路代表其使用同一个子载波，虚线代表来自不同簇的干扰信号；
23.如图2、图3所示，为本发明能量收集传感器以及能量收集中继的内部结构；
24.下列表1为本发明所涉及的物理量符号和意义：
[0025][0026]
下面结合附图对对本发明做进一步详细说明：
[0027]
一种工业产线无线携能网络资源分配方法，包括如下步骤：
[0028]
步骤1，如图1所示定义网络拓扑，假设传感器网络中有m个簇，每个簇有n个传感器以及一个簇专属能量收集中继r
i
，且每个簇的n个传感器复用n个正交子载波，能量收集中继会收到来自其他簇传感器的同频干扰。则某一传感器s
i,j
到其对应簇的中继r
i
信噪比如下，其中i∈[1,m],j∈[1,n]且均为整数；
[0029][0030]
步骤2，如图4所示，本发明中每个簇的能量收集中继都可以接收到来自全部的传感器的射频信号能量，则其收集到的可以用于转发给汇聚节点的信号能量可以表示为以下形式：
[0031][0032]
步骤3，多个较大带宽的能量收集中继上行信号复用同一个频段以避免汇聚节点的接收带宽过大，则中继到汇聚节点的信噪比为：
[0033][0034]
步骤4，同簇传感器到相应的能量收集中继的信道容量总和可以表示为：
[0035][0036]
能量收集中继到终端目的节点的信道容量可以表示为：
[0037]
c
rci
＝w
rc
log2(1 γ
ri
→
c
)
[0038]
对于某一簇传感器来说，传感器上行通信链路的信道由两跳组成，在这两跳中较小的信道容量可以代表这一簇整体的上行链路信道容量，可以用下式表示：
[0039]
min{c
sri
,c
rci
}
[0040]
为了得到整体最大信道容量以及对应的各个簇能量收集中继功率分割比，本发明经过分析得出了以下问题：信号的发射能量和解码能量是相互矛盾的，并且上行链路以最小信道容量代表整体信道容量，所以当改变功率分割比θ
i
导致c
sri
<c
rci
的情况下相对于能量收集中继来说用了较大上行能量去传输了较小的信道容量的数据，并且由于每组能量收集中继的上行频率相同，如果某一簇的能量收集中继上行信号强度更大必然对其他簇中继上行信号产生干扰，从而不仅单组整体上行链路的速率没有达到最优，还降低了整体的网络信道容量；
[0041]
为了避免这种情况的发生，本发明提出了以c
rci
为优化目标，和约束条件为c
sri
≥c
rci
，并保证每一个簇的信道都大于一个阈值，可以表示为以下形式：
[0042][0043][0044][0045]
步骤5，由于步骤4提出的问题具有非凸性，故引入以下恒不等式，将每一簇的c
rci
逼近为凸函数，将整体非凸问题转化为凸问题：
[0046]
α
·
log2(γ) β≤log2(1 γ)
[0047][0048][0049]
转化后的问题如下：
[0050][0051][0052][0053]
步骤6，采用本发明提出的凸逼近
‑
内点双层迭代算法，先假设凸逼近参数α
i
，β
i
不
变，应用内点算法对步骤5中的问题进行求解，再根据求得的最优解计算新的凸逼近参数，更新步骤5中的凸逼近参数α
i
，β
i
，再应用内点法求解新的最优解和最优值，如此反复迭代即可得到非凸问题的最优解和最优值，具体算法流程图如图5所示。
[0054]
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明装置权利要求书确定的保护范围内。