本发明公开了一种基于室内传播损耗模型的接入点功率优化方法，主要解决现有的室内接入点发射功率优化方法中增加整体能耗，降低整体能耗效果较差的问题。其实现步骤是：(1)布设接入点AP和通信设备；(2)获取室内环境噪声样本集；(3)计算每堵墙的能量损耗；(4)计算室内路径衰减指数；(5)构建室内传播损耗模型；(6)获取室内区域中第一类接入点发送总功率的最小值。本发明通过构建室内传播损耗模型，利用拉格朗日乘子法获取室内接入点AP发射总功率的最小值，降低了室内区域接入点的能耗。
1.一种基于室内传播损耗模型的接入点发射功率优化方法，其特征在于，构建室内传播损耗模型，利用拉格朗日乘子法计算出接入点AP发射总功率的最小值，该方法的具体步骤包括如下：(1)布设接入点AP和通信设备：
在室内区域布设密度为3个/10m2的接入点AP，作为第一类接入点，布设密度为1个/10m2的通信设备；
(2a)在室内区域随机取50个观测点，作为第一类观测点，连续采集每个第一类观测点处距离其最近的接入点AP的信号强度30次，取其平均值；
(2b)用每个第一类观测点处每次接收到的接入点AP的信号强度，减去该观测点处信号强度的平均值，得到每个第一类观测点处每次接收到的环境噪声强度；
(2c)将室内区域中每个第一类观测点处所有的环境噪声强度组成环境噪声强度集；
(3a)在室内区域中每堵墙的一侧分别布设10接入点AP，作为第二类接入点，在室内区域中每堵墙布设第二类接入点AP的一侧，以及该堵墙的另一侧各选取20个点，作为第二类观测点；
其中，Lj表示第二类接入点AP的信号穿过第j堵墙后的能量损耗，rj表示第j堵墙壁布设AP点的一侧所有观测点接收到的所有接入点AP的能量，sj表示第j堵墙壁另一侧所有观测点接收到的所有接入点AP的能量；
(4a)在室内区域中随机布设一个接入点AP，作为第三类接入点，在以该接入点为圆心，以d1为半径的圆上无遮挡处选取10个观测点，作为第三类观测点，其中，1m≤d1≤3m；
(4b)利用路径衰减指数公式，计算室内路径衰减指数；
其中，Pkh(d)表示第k个第一类接入点AP发出的能量与第h个通信设备接收的能量之间的差值，d表示第h个通信设备与第k个第一类接入点AP之间的实际距离， 表示第三类接入点AP发出的能量，Pq表示第q个第三类观测点接收到第三类接入点AP的能量，η表示室内路径衰减指数，log10表示以10为底的对数操作，∑表示求和操作，J表示能量信号穿过的墙壁总数，μ表示室内环境噪声样本集的均值；
(6)获取室内区域中第一类接入点发射总功率的最小值：
(6a)以最小化室内区域中第一类接入点发射的总功率为目标，构建如下功率优化模型：其中，min表示取最小值操作，K表示室内区域中第一类接入点AP的总数，xk表示第k个第一类接入点AP发送的功率，s.t.表示约束条件符号，ζ表示通信设备的能量转换效率， 表示室内区域中每个通信设备所消耗的能量；
(6b)利用拉格朗日乘子法，计算室内区域中第一类接入点发射总功率的最小值。
2.根据权利要求1所述的基于室内传播损耗模型的接入点发射功率优化方法，其特征在于，步骤(4b)中所述的室内路径衰减指数公式如下：其中，P(d2)表示第三类接入点AP发出的能量与距离该接入点APd2米处通信设备接收能量之间的差值，3m≤d2≤15m，1m≤d1≤3m，d2＞d1。
3.根据权利要求1所述的基于室内传播损耗模型的接入点发射功率优化方法，其特征在于，步骤(6b)所述的利用拉格朗日乘子法，计算室内区域中第一类接入点发射总功率的最小值的步骤如下：第一步，将功率优化模型中带约束的极值问题，转化为朗格朗日函数无约束极值问题如下：其中，min表示取最小值操作，L表示拉格朗日函数，K表示室内区域中第一类接入点AP的总数，∑表示求和操作，xk表示第k个第一类接入点AP发送的功率，λ表示拉格朗日乘子，λ≥0，H表示室内区域中通信设备的总数，表示室内区域中每个通信设备所消耗的能量，ζ表示通信设备的能量转换效率，Pkh(d)表示第k个第一类接入点AP发送的能量与第h个通信设备接收的能量之间的差值；
第二步，按照下式，计算室内区域中第一类接入点发送总功率的最小值：其中，p表示室内区域中第一类接入点发送总功率的最小值。
基于室内传播损耗模型的接入点发射功率优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术中的一种基于室内传播损耗模型的接入点发射功率优化方法。本发明可以对室内接入点的发射功率进行优化，减少室内接入点的整体耗能。
背景技术
[0002] 在越来越多的公司办公室、校园和商业区都大规模地部署了接入点AP(access point)，通信设备的无线传能技术通过接入点AP发送射频信号为局域网的通信设备进行无线充电，如何在保证通信设备充电需求的同时，合理优化接入点AP的发射功率是需要解决的问题。
[0003] 上海润欣科技股份有限公司在其申请的专利文献“无线局域网ESS中AP节能的方法”(申请号：2013103473426，申请公布号：CN103476097A)中公开了一种无线局域网ESS中接入点AP节能的方法。该方法利用无线局域网ESS中接入点AP之间进行信息交互，并以此来判断接入点AP之间是否存在重复覆盖，从而进行后续降低发射功率的操作。该方法虽然能够降低接入点AP之间的重复覆盖，可以实现整体节能的效果，也能够减少接入点AP重复覆盖地区的干扰，从而在保持整个ESS覆盖范围一定的情况下尽可能地降低接入点AP的发射功率。但是，该方法仍然存在的不足之处是，该方法在进行降低发射功率操作之前需要接入点AP进行信息交互，降低了无线局域网ESS的节能效率。
[0004] 华为终端有限公司在其申请的专利文献“一种无线通信网络中实现接入点节能的方法及接入点”(申请号：2011102347342，申请公布号：CN102938926A)中公开了一种无线通信网络中实现接入点节能的方法。该方法的接入点在两种工作模式下，正常工作模式和节能工作模式，在节能工作模式下，接入点周期性广播精简的信标帧，所述精简的信标帧中仅包含服务集标识。虽然该方法的接入点在节能模式下广播精简的信标帧，缩短了信标帧的长度，从而缩短了发送时间，实现了降低能耗的目的。但是，该方法仍然存在的不足之处是，该方法只考虑接入点在节能工作模式时的节能，没有考虑正常工作模式时的节能，导致该方法没有降低接入点的整体能耗。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于室内传播损耗模型的接入点发射功率优化方法，以解决室内接入点发射功率优化方法中增加整体能耗，降低整体能耗效果较差的问题。
[0006] 本发明实现上述目的的具体思路是，构建室内传播损耗模型，利用拉格朗日乘子法计算出接入点AP发送总功率的最小值。
[0007] 实现本发明目的的具体步骤如下：
[0008] (1)布设接入点AP和通信设备：
[0009] 在室内区域布设密度为3个/10m2的接入点AP，作为第一类接入点，布设密度为1个/10m2的通信设备；
[0010] (2)获取室内环境噪声样本集：
[0011] (2a)在室内区域随机取50个观测点，作为第一类观测点，连续采集每个第一类观测点处距离其最近的接入点AP的信号强度30次，取其平均值；
[0012] (2b)用每个第一类观测点处每次接收到的接入点AP的信号强度，减去该观测点处信号强度的平均值，得到每个第一类观测点处每次接收到的环境噪声强度；
[0013] (2c)将室内区域中每个第一类观测点处所有的环境噪声强度组成环境噪声强度集；
[0014] (3)计算每堵墙的能量损耗：
[0015] (3a)在室内区域中每堵墙的一侧分别布设10接入点AP，作为第二类接入点，在室内区域中每堵墙布设第二类接入点AP的一侧，以及该堵墙的另一侧各选取20个点，作为第二类观测点；
[0016] (3b)按照下式，计算每堵墙的能量损耗：
[0017] Lj＝(rj-sj)/200
[0018] 其中，Lj表示第二类接入点AP的信号穿过第j堵墙后的能量损耗，rj表示第j堵墙壁布设AP点的一侧所有观测点接收到的所有接入点AP的能量，sj表示第j堵墙壁另一侧所有观测点接收到的所有接入点AP的能量；
[0019] (4)计算室内路径衰减指数：
[0020] (4a)在室内区域中随机布设一个接入点AP，作为第三类接入点，在以该接入点为圆心，以d1为半径的圆上无遮挡处选取10个观测点，作为第三类观测点，其中，1m≤d1≤3m；
[0021] (4b)利用路径衰减指数公式，计算室内路径衰减指数；
[0022] (5)构建室内传播损耗模型如下：
[0023]
[0024] 其中，Pkh(d)表示第k个第一类接入点AP发出的能量与第h个通信设备接收的能量之间的差值，d表示第h个通信设备与第k个第一类接入点AP之间的实际距离，J表示能量信号穿过的墙壁总数；
[0025] (6)获取室内区域中第一类接入点发射总功率的最小值：
[0026] (6a)以最小化室内区域中第一类接入点发射的总功率为目标，构建如下功率优化模型：
[0027]
[0028] s.t.ζ(xk-Pkh(d))≥θ
[0029] 其中，min表示取最小值操作，K表示室内区域中第一类接入点AP的总数，xk表示第k个第一类接入点AP发送的功率，s.t.表示约束条件符号，ζ表示通信设备的能量转换效率，θ表示室内区域中每个通信设备所消耗的能量；
[0030] (6b)利用拉格朗日乘子法，计算室内区域中第一类接入点发射总功率的最小值。
[0031] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0032] 第一，由于本发明采用了室内传播损耗模型，可以直接计算出室内接入点AP损耗的功率，解决了现有技术中降低发射功率操作前接入点AP进行信息交互，而导致的节能效率低的问题，使得本发明提升了室内接入点AP的节能效率。
[0033] 第二，由于本发明采用了拉格朗日乘子法，直接求出室内接入点AP发射总功率的最小值，解决了现有技术中只考虑接入点在节能工作模式时的节能，不考虑正常工作模式时的节能而导致无法降低接入点整体能耗的问题，使得本发明能够降低室内接入点的整体能耗。
附图说明
[0034] 图1为本发明的流程图；
[0035] 图2为本发明的仿真图。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图对本发明做进一步的描述。
[0037] 参照图1，对本发明实现的具体步骤作进一步的描述。
[0038] 步骤1，布设接入点AP和通信设备。
[0039] 在室内区域布设密度为3个/10m2的接入点AP，作为第一类接入点，布设密度为1个/10m2的通信设备。
[0040] 步骤2，获取室内环境噪声样本集。
[0041] 在室内区域随机取50个观测点，作为第一类观测点，连续采集每个第一类观测点处距离其最近的接入点AP的信号强度30次，取其平均值。
[0042] 用每个第一类观测点处每次接收到的接入点AP的信号强度，减去该观测点处信号强度的平均值，得到每个第一类观测点处每次接收到的环境噪声强度。
[0043] 将室内区域中每个第一类观测点处所有的环境噪声强度组成环境噪声强度集。
[0044] 步骤3，计算每堵墙的能量损耗。
[0045] 在室内区域中每堵墙的一侧分别布设10接入点AP，作为第二类接入点，在室内区域中每堵墙布设第二类接入点AP的一侧，以及该堵墙的另一侧各选取20个点，作为第二类观测点。
[0046] 按照下式，计算每堵墙的能量损耗：
[0047] Lj＝(rj-sj)/200
[0048] 其中，Lj表示第二类接入点AP的信号穿过第j堵墙后的能量损耗，rj表示第j堵墙壁布设AP点的一侧所有观测点接收到的所有接入点AP的能量，sj表示第j堵墙壁另一侧所有观测点接收到的所有接入点AP的能量。
[0049] 步骤4，计算室内路径衰减指数。
[0050] 在室内区域中随机布设一个接入点AP，作为第三类接入点，在以该接入点为圆心，以d1为半径的圆上无遮挡处选取10个观测点，作为第三类观测点，其中，1m≤d1≤3m。
[0051] 利用路径衰减指数公式，计算室内路径衰减指数。
[0052] 室内路径衰减指数公式如下：
[0053]
[0054] 其中，η表示室内路径衰减指数，P(d2)表示第三类接入点AP发出的能量与距离该接入点APd2米处通信设备接收能量之间的差值，3m≤d2≤15m，1m≤d1≤3m，d2＞d1， 表示第三类接入点AP发出的能量，∑表示求和操作，Pq表示第q个第三类观测点接收到第三类接入点AP的能量，μ表示室内环境噪声样本集的均值，log10表示以10为底的对数操作。
[0055] 步骤5,构建室内传播损耗模型。
[0056] 室内传播损耗模型如下：
[0057]
[0058] 其中，Pkh(d)表示第k个第一类接入点AP发出的能量与第h个通信设备接收的能量之间的差值，d表示第h个通信设备与第k个第一类接入点AP之间的实际距离，J表示第一类接入点AP信号穿过的墙壁总数。
[0059] 步骤6，获取室内区域中第一类接入点发送总功率的最小值。
[0060] 以最小化室内区域中第一类接入点发送的总功率为目标，构建如下功率优化模型：
[0061]
[0062] s.t.ζ(xk-Pkh(d))≥θ
[0063] 其中，min表示取最小值操作，K表示室内区域中第一类接入点AP的总数，xk表示第k个第一类接入点AP发送的功率，s.t.表示约束条件符号，ζ表示通信设备的能量转换效率，θ表示室内区域中每个通信设备所消耗的能量。
[0064] 利用拉格朗日乘子法，计算室内区域中第一类接入点发送总功率的最小值。
[0065] 利用拉格朗日乘子法，计算室内区域中第一类接入点发送总功率的最小值步骤描述如下。
[0066] 第1步，将功率优化模型中带约束的极值问题，转化为朗格朗日函数无约束极值问题如下：
[0067]
[0068] 其中，min表示取最小值操作，L表示拉格朗日函数，K表示室内区域中第一类接入点AP的总数，∑表示求和操作，xk表示第k个第一类接入点AP发送的功率，λ表示拉格朗日乘子，λ≥0，H表示室内区域中通信设备的总数，θ表示室内区域中每个通信设备所消耗的能量，ζ表示通信设备的能量转换效率，Pkh(d)表示第k个第一类接入点AP发出的能量与第h个通信设备接收的能量之间的差值。
[0069] 拉格朗日函数存在极值的必要条件为：
[0070]
[0071] 其中，表示求偏导操作。
[0072] 第2步，按照下式，计算室内区域中第一类接入点发送总功率的最小值：
[0073]
[0074] 其中，p表示室内区域中第一类接入点发送总功率的最小值。
[0075] 下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
[0076] 1.仿真实验条件：
[0077] 本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel i7-6700CPU，主频为3.4GHz，内存8GB。
[0078] 本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和MATLAB R2014b。
[0079] 2.仿真内容与结果分析：
[0080] 本发明仿真实验是采用本发明和一个现有技术(拉格朗日乘子法)获取室内环境噪声样本集，计算每堵墙的能量损耗和室内路径衰减指数，构建室内传播损耗模型，获取室内接入点发送总功率的最小值。
[0081] 在仿真实验中，采用的一个现有技术是指：
[0082] 现有技术拉格朗日乘子法是指，Donald A.Pierrei在“Pierre.Optimization of Pulse and Digital Circuits by Use of the Lagrange Multiplier Technique[J].IEEE Transactions on Electronic Computers,2006,EC-12(5):488-492.”中提出的求函数在约束条件下极值的方法，简称拉格朗日乘子法。
[0083] 本发明的仿真实验是在面积为350m2在室内区域中进行的，在该区域分别布设数量为5，10，15，20，25，30，35的第一类接入点AP和数量为3，5，10的通信设备，通信设备的能量转换效率设为60％，通信设备所消耗的能量为150μW，信号发射频率为2.4Ghz，利用本发明所提的基于室内传播损耗模型的接入点发射功率优化方法，对第一类接入点总发送功率进行统计，并与不采用功率优化方法时，第一类接入点总发送功率进行比较，将每种下情况第一类接入点的总发送功率绘制成直方图，得到图2。
[0084] 图2为室内接入点AP采用本发明所提功率优化方法与不采用功率优化方法的第一类接入点总发送功率对比图，图2的横坐标表示第一类接入点AP数量，纵坐标表示第一类接入点总发送功率，以“/”标示的柱状部分表示室内有3个通信设备时，第一类接入点总发送功率。灰色的柱状部分表示室内有5个通信设备时，第一类接入点总发送功率，黑色的柱状部分表示室内有10个通信设备时，第一类接入点总发送功率，白色的柱状部分表示室内有3个通信设备不采用功率优化方法时，第一类接入点总发送功率。
[0085] 由图2可以看出随着室内区域通信设备数量的增长，第一类接入点AP总发射功率也在增长，但是，在室内通信设备数量相同的情况下，当接入点AP数量为15个时，利用本发明所提方法将区域总发射功率由15W降至约13.5W，当接入点AP数量为30个时，利用本发明所提方法将区域总发射功率由30W降至约26W，由图2还可以计算出本发明提出的基于室内传播损耗模型的接入点发射功率优化方法能够有效地将室内区域中第一类接入点AP的总发射功率降低约15％至25％。
[0086] 以上仿真实验表明：本发明方法通过构建室内传播损耗模型，利用拉格朗日乘子法求解室内区域第一类接入点发送总功率的最小值，能够提高室内接入点AP的节能效率，减少室内区域中第一类接入点的整体能耗。
