一种能量采集点对点通信系统及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信和能量采集技术领域，特别涉及一种能量采集方式的点对点 通信系统。
【背景技术】
[0002] 众所周知，传统的无线传感网络和嵌入式系统中所用的设备，大多是用电池来供 电的。这种供电方式存在一个很大的问题：设备的寿命是有限的。当电池中的电量耗尽了 以后，设备就不能再使用了。为了维持系统的运转，就只能不停的更换电池或者周期性地给 电池充电。能量采集是一个很好的解决电量问题的方案。设备可以从各种能量源（比如： 太阳能、震动能、风能等等）中获取能量，获得的能量可以供设备使用。因为能量源可以源 源不断的提供能量，所以设备就不用担心电量耗尽的问题了。
[0003] 能量采集技术，目前有三种工作模式："采集-使用"模式，"采集-存储-使用"模 式和"采集-使用-存储"模式。在"采集-使用"模式中，设备采集到的能量会直接被使 用掉。在"采集-存储-使用"模式中，采集到的能量先被存储在电池中，然后再根据需要， 取出来使用。而"采集-使用-存储"模式，则是让此刻接收到的能量先直接用于当前的消 耗，如果有剩余，再存入电池中。现今的一些文献对"采集-存储-使用"模式和"采集-使 用-存储"有许多研宄，也将其应用在了很多不同的系统中。"采集-使用"模式，虽然不能 存储能量，但是也有其使用的特定场合。
[0004] 现有的点对点通信系统应用十分广泛，在无线传感网以及整个移动通信系统中， 都有着广泛地使用，但是，点对点通信系统存在着能量的问题。目前很多技术都对通信协议 以及工作模式进行研宄，提出了很多降低能耗的方法，起到了延长节点寿命的作用。但是， 上述的根本问题并没有得到解决。因此，需要找到一种特殊的供能方法，使得通信系统的能 量问题得以解决。而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现有技术中点对点通信系统中的总能量有限的问题，提出了 一种能量采集点对点通信系统的设计方法，该方法是基于"采集-使用"模式，该方法对硬 件需求很少，节约了成本。
[0006] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提出了一种能量采集点对点 通信系统的设计方法，该方法包括如下步骤：
[0007] 步骤1 :引入一个能量源，在系统运作时给系统提供能量。
[0008] 在当发送端要传送数据给接收端的时，发送端先从能量源获取能量，再用这些能 量来支持整个数据发送的工作。
[0009] 步骤2 :采用大规模分布式天线阵列的架构。
[0010] 通信系统建立在大规模分布式天线阵列的架构之下，大规模分布式天线阵列是指 在一个小区内有大量的天线（即：1〇〇到1000个远程天线单元），这些天线单元分布在小区 的各个地方。
[0011] 步骤3 :采用一种"采集-使用"模式使得能量源向发送端供能。
[0012] 当系统工作在"采集_使用"模式时，发送端不能储存能量，所有接收到的能量都 会立即用于数据的发送。存储能量的过程必定会带来能量的损失，而长时间不使用能量，电 池中也会有一大部分的电量泄露。因此，在突发性业务场合中，采用能量存储设备往往会使 能量的使用效率较低。另外，"采集-使用"模式的硬件需求和成本非常小。在系统工作时， 由于硬件简单，消耗也会比另外两种模式少。
[0013] 点对点通信是一种相对而言比较突发性的通信。这种通信不是一直进行的，而且 每次通信的时间也不会太长。在这样的突发性业务中，"采集-使用"模式的优势得以体现。
[0014] 步骤4 :对通信系统建模，引入拉格朗日函数，用最优化的方法求得最佳功率分配 方案和信道情况的关系。
[0015] 在设计的系统模型中，引入了拉格朗日函数来进行分析，找出在"采集-使用"模 式下的最佳功率分配方案和每个时刻信道参数以及时间分配系数的关系。
[0016] 在本发明的通信系统中，每个时刻各个信道的情况都是随机的，且相互独立的。通 信的过程中，一直有足够数据需要发送，不会出现有能量可以使用却没有数据需要发送的 情况。通过对整个系统建模，可以得到系统容量的计算公式和一些相应的约束条件。本发 明引入拉格朗日函数来对整个最优化问题进行分析，最终得到了最佳功率分配方案和每个 时刻信道参数以及时间分配系数的关系。
[0017] 步骤5 :利用注水算法，计算出最佳功率分配方案。
[0018] 根据上述步骤4对系统容量的分析，得出了最优的功率分配方案可以通过注水的 方法，计算出唯一的解。利用注水方法，计算出最佳功率分配方案。
[0019] 本发明还提出了一种能量采集点对点通信系统，该系统包括能量源、发送端和接 收端。所述能量源主要是用于为点对点通信工作提供能量。所述发送端主要是用于接收能 量，并用此能量发送数据。所述接收端主要是用于接收数据；所述的能量源是一个总能量受 限的能量源。
[0020] 有益效果：
[0021] 1、本发明解决了点对点通信中的供能问题，使得系统的工作寿命大大延长，并且 本发明能够节约硬件的成本。
[0022] 2、本发明利用最优化的方法和注水算法对系统模型进行分析，找到了最优的功率 分配方案，使得系统的容量得到了很大地提升。
[0023] 3、本发明能够大大减小用户与天线单元的距离，从而能够降低能量传输的距离， 进一步提高了能量的传输效率。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的系统架构图。
[0025] 图2为本发明系统帧结构的示意图。
[0026] 图3为本发明的注水法示意图。
[0027] 图4为本发明的方法流程