一种基于能量收集方式的无线通信功率分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于能量收集方式的无线通信功率分配方法，该方法基于“收集-使用-存储”供能模式，包括：步骤一：采用一种“收集-使用-存储”的模式来对通信中的发送节点进行供能，能量收集装置工作在“收集-使用-存储”模式；步骤二：对通信系统进行建模，引入拉格朗日函数，利用最优化的方法求得最佳的功率分配方案和每一时间单元的电池剩余电量以及电池工作模式的关系；步骤三：利用动态规划算法，计算出最佳方案情况下每个时间单元的电池剩余电量和电池工作模式的值；步骤四：将上述步骤三的每个时间单元电池电量的值以及电池工作模式带入步骤二得到的公式中，找到最优功率分配方案；本发明能避免电量损失，且能提高通信的容量。
【专利说明】一种基于能量收集方式的无线通信功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及能量收集和无线通信【技术领域】，特别涉及一种基于能量收集方式的无 线通信系统中的最优功率分配方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感技术和嵌入式系统发展飞速，在当今社会有着很广泛地应用。然而，现有 的这些设备大部分都是由电池供电。因此，如何解决能量问题是这些设备发展过程中的一 个很重要的问题。目前，很多节能技术已应用到了这些设备中。然而，这类技术只能减缓电 池电量消耗的速度，只在一定程度上提高电池的寿命，而不能解决根本问题。能量收集技 术，是一种将环境中的可用能量（光能、震动、温度变化等等）转化成电能的技术。通过这 种技术我们可以一直给传感网络或是嵌入式系统供电。能量收集技术的出现，使得无线传 感技术和嵌入式系统的供能问题有了很大的改善。
[0003] 虽然，采用能量收集技术以后，能量源可以一直给负载提供能量。但是，由于能量 的到达是一种随机的模型，在下一能量到达之前，系统依旧是一种功率受限的模式。再者， 根据能量源的模型不同，一段时间内所能使用的能量也不同，且功率的调整，必定会影响负 载工作的性能。所以，根据不同的情况，需要设计一些方案来找到最佳的功率分配策略，使 得负载的性能达到最佳。
[0004] 在无线通信系统中，吞吐量是一个很重要的性能指标。所以，已有一些找到一种最 佳功率分配方案的研究，使得基于能量收集的点对点无线通信系统能达到最大的吞吐量。 然而，以往的研究，往往是在一种"收集-存储-使用"的模式下对功率进行规划。在这种 模式下，收集到的能量会先存放在电池中，然后在需要使用的时候，再从电池中将能量取出 来使用。由于电池的转化效率小于1，所以在将电能存到电池中的时候，会有一部分能量损 失，这使得最终能够使用的能量大大减少。因此，需要找到一种减少能量损失的供能模式， 并且在这种模式下，对能量使用进行规划，从而使得通信系统能达到最大的吞吐量，本发明 能够很好地解决上面的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于解决上述问题，提出了一种基于能量收集方式的无线通信功率分 配方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提出了一种基于能量收集方 式的无线通信功率分配方法，该方法包括如下步骤：
[0007] 步骤一：采用一种"收集-使用-存储"的模式来对通信中的发送节点进行供能， 使能量收集装置工作在"收集-使用-存储"模式。
[0008] 在这种模式下，在某一时间单元收集到的能量，首先会用于满足这一时间负载的 能量消耗。如果负载所需要的能量小于收集到的能量，那么多余的能量将会被存储到电池 中去。如果负载所需要的能量等于收集到的能量，那么电池在此时间单元没有任何动作。如 果负载所需要的能量大于收集到的能量，那么此时间单元收集到的能量将全部用于给负载 供能，此外，不足的能量将会由电池来补足。
[0009] 步骤二：对通信系统进行建模，引入拉格朗日函数，利用最优化的方法求得最佳的 功率分配方案和每一时间单元的电池剩余电量以及电池工作模式的关系。
[0010] 在已知的无线通信系统中，引入了拉格朗日函数来进行分析，找到在"收集-使 用-存储"的模式下的最佳功率分配方案和每一时间单元的电池剩余电量以及电池工作模 式的关系。
[0011] 在本发明的通信系统中，收集到的能量的大小和到达时间都是随机的，且这些信 息是发送机已知的。通过对整个通信系统建模，可以得到吞吐量的计算公式以及一些相应 的约束条件。
[0012] 本发明引入拉格朗日函数来对整个最优化问题进行分析，最终得到了最佳分配方 案和电池电量以及电池工作模式之间的关系。
[0013] 步骤三：利用动态规划算法，计算出最佳方案情况下每个时间单元的电池剩余电 量和电池工作模式的值。
[0014] 由于本发明系统模型满足：（1)是一种动态的离散时间系统；（2)其增益函数是随 时间递增的，因此，本发明可以把原问题分解成多个子问题。只要找到了这些子问题的解， 将其合并以后，就可以得到原问题的解。
[0015] 在本发明的系统中，本发明利用这种动态规划的方法，将终止状态从后往前迭代， 最终解出了最优情况下每个时间单元电池电量的值。
[0016] 步骤四：将上述步骤三的每个时间单元电池电量的值以及电池工作模式带入步骤 二得到的公式中，找到最优的功率分配方案。
[0017] 有益效果：
[0018] 1、本发明针对基于能量收集方式供能的无线通信系统，提出了一种"收集-使 用-存储"的供能模式，该模式能够大量避免因为存储能量时因电池转化效率不理想而造成 的电量损失。
[0019] 2、本发明用最优化的方法以及动态规划方法对系统模型进行分析，提出了最佳功 率分配方案的求解方法，能够使本发明的系统吞吐量有很大地提升。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本发明基于"收集-使用-存储"模式的系统结构示意图。
[0021] 图2为本发明的系统能量模型图。
[0022] 图3为本发明的后向搜索流程图。
[0023] 图4为本发明的前向搜索流程图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。
[0025] 如图1所示，本发明针对利用能量收集方式的无线通系统，提出了一种"收集-使 用-存储"的工作模式。在本发明的这种工作模式下，找到了最佳的功率分配方法，该方法 大大提升了系统的吞吐量性能。本发明考虑的是一个经典的点对点通信信道。其发送端采 用能量收集的供能方式，并且采用"收集-使用-存储"的工作方式。采集到的能量将先用 于满足此时的发送功率的需要。如果还有剩余的能量，将会存到转化效率非理想的电池中。 相反，如果此时收集的能量不够满足发送功率的需要，系统将会从电池中取出相应的能量 来使用。
[0026] 如图2所示，在本发明的系统中，收集到的能量是随机时刻到达的，并且能量到达 的时间和到达的能量值是发送机已知的。Ei表示第i个时间单元起始时到达的能量，Si表 示第i个时间单元结束时的时间，因此，可以通过Si-Sg得到每个时间块的长度l it)此外， Bi表示第i个时间单元结束时电池剩余的电量，Pi表示第i个时间单元的传输功率。当系 统工作在"收集-使用-存储"模式时，如果Ei > p山，就会有Di = Ei-ρ山的能量存入电池 中。相反的，如果Ei <p山，电池中将会减少p山％的能量，把这个记为-Dit)如果把电池的 转换效率记为Π B，泄露速率记为Plealu那么可以得到
【权利要求】
1. 一种基于能量收集方式的无线通信功率分配方法，其特征在于，所述方法包括如下 步骤： 步骤一：采用一种"收集-使用-存储"的模式来对通信中的发送节点进行供能，能量 收集装置工作在"收集-使用-存储"模式； 步骤二：对通信系统进行建模，引入拉格朗日函数，利用最优化的方法求得最佳的功率 分配方案和每一时间单元的电池剩余电量以及电池工作模式的关系； 步骤三：利用动态规划算法，计算出最佳方案情况下每个时间单元的电池剩余电量和 电池工作模式； 步骤四：将上述步骤三的每个时间单元电池电量的值以及电池工作模式带入步骤二得 到的公式中，找到最优的功率分配方案。
2. 根据权利要求1所述的一种基于能量收集方式的无线通信功率分配方法，其特征在 于，上述步骤1中包括：所述通信中发送节点的工作模式为点对点。
3. 根据权利要求1所述的一种基于能量收集方式的无线通信功率分配方法，其特征在 于，步骤1中包括：所述"收集-使用-存储"工作模式是指在某一时间单元收集到的能量， 首先会用于满足这一时间负载的能量消耗，如果负载所需要的能量小于收集到的能量，那 么多余的能量将会被存储到电池中，如果负载所需要的能量等于收集到的能量，那么电池 在此时间单元没有任何动作，如果负载所需要的能量大于收集到的能量，那么此时间单元 收集到的能量将全部用于给负载供能；不足的能量由电池来补足。
4. 根据权利要求1所述的一种基于能量收集方式的无线通信功率分配方法，其特征在 于，上述步骤2中包括：在已知的无线通信系统中，引入了拉格朗日函数来进行分析，找到 在"收集-使用-存储"的模式下的最佳功率分配方案和每一时间单元的电池剩余电量以 及电池工作模式的关系； 在所述方法的系统中，收集到的能量的大小和到达时间都是随机的，且这些信息是发 送机已知的；通过对整个通信系统建模，得到吞吐量的计算公式以及一些相应的约束条件。
5. 根据权利要求1所述的一种基于能量收集方式的无线通信功率分配方法，其特征 在于，上述步骤3中包括，所述方法的系统模型包括：（1)所述系统是一种动态的离散时间 系统；（2)所述系统的增益函数是随时间递增的；在所述方法的系统中，利用动态规划的方 法，将终止状态从后往前迭代，最终解出最优情况下每个时间单元电池电量的值。
6. 根据权利要求1所述的一种基于能量收集方式的无线通信功率分配方法， 其特征在于，上述步骤2的公式为：对于任意的λη> 〇,定义了一个拉格朗日函数
;利用最优化的方法对上述几个式子进行求 解，假设j，m为两个电池为0的时刻，对任意k e [j+l，m-l]得出了最优功率的表达式：
其中：
；另外，P+，P_满足： (Ρ++1) ηΒ = P>1
其中G，L分别为[j+l，m-l]这段时间内电池增量大于0, S卩：充电模式和小于0 S卩：放 电模式的时刻； 由上述可知，只要找到电池电量为0的点和电池工作模式，即：充放电模式，就能计算 出最佳的功率分配方案。
7. 根据权利要求1所述的一种基于能量收集方式的无线通信功率分配方法，其特征在 于，所述方法还包括：采用后向迭代的方法；首先，定义ΛΦη)表示最后的Ν-k+l个时间单 元的最佳收益，得到：
由于最后时刻电池电量为〇, α N小于0,且最佳取值为-BN_i ;得到：
把I的取值空间进行量化，根据上式，得到I，a N，JN(BN_i，α N)三者取值关系的表； 接着，向前一步，进行迭代，由于有了 BN_i，a N，JN(BN_i，αΝ)三者取值关系的 表，根据公式
，得到 Bn-2, aj三者取值关系的表；以此类推，直到迭代到最前一项；此时，得到 了 N张表格。
8. 根据权利要求7所述的一种基于能量收集方式的无线通信功率分配方法，其 特征在于：初始电量仏=0,通过前向搜索，也就是依次查N张表的过程，找到最优的 α2，...，αΝ，以及相应的电池电量&义，...^。
【文档编号】H04W52/02GK104066165SQ201410295149
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】朱洪波, 袁方超, 金石, 朱翀 申请人:南京邮电大学