一种用于能量采集无线传输系统的低频率能源切换方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及到适用于以能量采集（Energy Harvesting,EH)设备作为辅助能源的无线传输系统的能源选择。
【背景技术】
[0002] 由于人类对资源的过度开采和利用，全球的资源已经变得十分有限，同时巨大的 能耗也造成了严重的环境污染，引起了人们越来越多的关注。高速发展的通信行业在深入 人们生活的同时，也对社会、环境产生了一定的影响。根据美国著名咨询机构Gartner的调 查，通信行业耗能占据全球耗能的2%。对比其他行业，通信业耗能相对较高。针对这种情 况，节能减排、降低能耗成为通信业研宄的热点问题。因此人们提出了绿色通信的概念。绿 色通信是以人为本，在生态环保的基础上追求高品质、高质量的通信环境。环保即指在通信 过程中，通信辐射不对人体和外界造成污染，也可以认为绿色通信是一种在整个通信产业 链中综合考虑环境影响和资源利用率的现代化的产业模型。为了适应全球化3G竞争的趋 势，目前国内的通信企业也纷纷开始重视绿色通信。近几年来人们开始考虑采用可再生能 源（例如太阳能，风能，辐射等）为通信系统提供能量需求。移动运营商目前已经开始使用 具有新能源收集（EnergyHarvesting)功能的基站，以降低对电网电能的需要。
[0003] 然而由于采集能量具有不稳定性，容易出现因能量不足而引起传输中断的情况， 这将严重影响通信网络的服务质量。为解决此问题，目前提出了两种能源一一传统电网能 源（gridpower)和采集能源一同供能的方式，其系统结构图如图1所示，电网能源1和采 集能源2 -同为发送端403供电，实现将数据3经信道发送到接收端5,并通过能量选择装 置4实现对电网能源1和采集能源2切换处理：优先采用采集能源供电，当检测到采集能源 供电不足时，由开关控制器402控制开关401切换到电网能源。但是现有的能源切换方法 存在着切换过于频繁的问题，而频繁的切换会给系统（电网能源）和储存采集能源的电池 带来一定程度上的损耗。因此，有必要提出一种在保证系统传输质量的基础上，有效地降低 切换频率、延长电池寿命的能源切换方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提出了一种利用收发端的信道和 能量信息，在传输时延的限制下，优化传输数据量的同时，通过调整各时隙对应的发送功 率，以达到在降低系统的能源切换频率的同时尽可能保证系统吞吐量的能源切换方法。
[0005] 本发明的一种用于能量采集无线传输系统的低频率能源切换方法，包括下列步 骤：
[0006] 步骤1 :采集系统参数：
[0007] 系统平均功率阈值Pave、系统切换次数阈值D，将传输时延分为N(N多2)个时隙， 获取各时隙的信道增益比、采集能量Ei，其中下标i= 1，2,…，N为时隙标号；
[0008] 步骤2 :设置并输出各时隙的最优发送功率：
[0009] 步骤2-1 :在最大化系统吞吐量，且各时隙的发送功率均值小于或等于阈值Pave的 条件下，设置各时隙的最优发送功率W，得到最优发送功率集产= :
[0010] 步骤2-2 :根据公式计算时隙消耗能量ei，其中八凡表示时隙长度；
[0011] 步骤2-3 :当各时隙的时隙工作能量ei大于时隙可用能量Ei'时，则认为当前时隙 为切换时隙，其中时隙可用能量Ei'包括当前时隙的采集能量Ei和当前时隙存储的采集能 量；
[0012] 统计切换时隙的个数，若大于系统切换次数阈值D，则执行步骤2-4;否则执行步 骤 2-5 ;
[0013] 步骤2-4 :在切换时隙中，查找各时隙的时隙工作能量ei与采集能量E 差值最 小的时隙i%并调整时隙的最优发送功率后返回步骤2-2,其中调整时隙i#的最优发送 功率为：
[0014] 查找N个信道增益h中的最小值并记为hmin，在删除信道增益1!_的条件下基于步 骤2-1得到时隙的最优发送功率 并基于最优发送功率片更新最优发送功率集P%
[0015] 步骤2-5 :输出最优发送功率集P'
[0016] 在本发明中，因为导致能源切换的原因是某些时隙的时隙可用能量供能不足，为 了降低切换频率，本发明以减少传输数据量为代价，即降低一些时隙的发送功率，通过剔除 系统信道增益集合H= 中的较差信道（hmin)，使其不传输数据，再基于剔除处理 后的信道增益集合基于最大化系统吞吐量求解得到供能不足的时隙（n的功率分配数据， 直到满足系统切换次数阈值为止。
大化系统吞吐量B可求解得到各？1的分配值，将其作为各时隙的最优发送功率W，得到最
其中V和Ai为拉格朗日乘子。
的口1，其中时隙标号1￡[1，幻，且1辛1_，查找时隙1#所对应的？ 1并记为？^将最 优发送功率集1^中的时隙厂的最优发送功率更新为/(以.K
再将P?中的W的取值更新为当前p3的取值，其中时隙长度ATi为时隙i的截止时刻T1与 上一时隙的截止时刻IV1之差，S卩ATi=T^IV1，因为1\的上一时刻为传输时延T的起点， 故可知Ttl= 0,可得到AT1=T1,AT3=T3-T1 (因为i辛imin，即当前不存在T2，故此时T3 的上一时隙的截止时刻为T1)，AT4=T4-T3,AT5=T5-T4。
[0020] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：在降低能量采集无线 传输系统的能源的切换频率的同时又尽可能地保证了系统吞吐量，即满足了系统对传输性 能的需求，又有效延长了存储采集能量的蓄电池的使用寿命。
【附图说明】
[0021] 图1是能量采集无线传输系统的模型示意图；
[0022] 图2是本发明的切换流程示意图。
【具体实施方式】
[0023] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发 明作进一步地详细描述。
[0024] 以系统切换次数阈值D=1，系统平均功率阈值Pave= 10mW，系统的传输时延Td= 7s，将传输时延Td分成6个时隙，用Ti分别表示各时隙的截止时刻，得到时刻集合T={T1 =1，T2= 2，T3= 3，T4= 4，T5= 5，T6= 7}，各时隙的{曰道增侃集H= {1^=1,112=4,113 =2,h4= 1，h5= 1，h6= 1}(单位dB/W)，各时隙的采集能量集E={E:= 1，E2= 6,E3 = 0,E4= 0,E5= 12,E6= 80}(单位mj)为例描述本发明的切换过程，参照图2,其具体实现 过程如下：
[0025] 步骤Sl:系统参数初始化，S卩基于上述示例参数，初始化系统切换次数阈值D= 1， 系统平均功率阈值Pave= 10mW，时刻集合T=ITJisa ，信道增益集H={hj，采集 能