采用环境能量供电的无线发射端发送装置及发送方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信领域，特别涉及采用环境能量供电的无线发射端发送装置及 发送方法。
【背景技术】
[0002] 无论是对于诸如蜂窝网络、数据中心、宏基站等大型的通信系统及网络，还是如无 线传感器、移动终端、家庭基站等小型通信设备，节能降耗一直是信息通信领域发展的重要 主题，其重要性仍在不断提升。近年来，基于环境能量收集供电的无线通信技术及设备由于 其独特的优势受到了广泛的关注。
[0003] 环境能量收集方式为部署环境无法或难以接入稳定的电力供应的无线通信系统 及设备（如偏远地区的基站，或者大量部署于建筑楼体内部的无线传感器，或者随时处于 移动状态的移动终端等）提供了理论上的永久性能量来源，减低了建设、维护成本。因此， 学术界与工业界都对基于环境能量收集供电的无线通信系统及设备投入了大量的研发精 力。
[0004] 由于环境能量存在波动性与间歇性，考虑环境能量的输入、存储、无线信道状态以 及无线用户需求下的无线发射端发送方法成为保证基于环境能量收集的无线通信系统性 能的关键，其包含了发射功率控制、发送数据包调度、频谱资源调度等。目前，相关领域技 术人员与学者对这方面进行了大量的研究。如参考文献I《Kansal, Aman, et al. "Power management in energy harvesting sensor networks. 〃ACM Transactions on Embedded Computing Systems (TECS)，vol. 6, no. 4, 2007, pp. 32》与参考文献 2《Gorlatova, Maria, Aya Wallwater,and Gil Zussman."Networking low-power energy harvesting devices !Measurements and algorithms, ^Mobile Computing, IEEE Transactions on, vol. I 2, no. 9, 2013, pp. 1853-1865》中所披露的。
[0005] 目前，现有研究工作在系统设计中均采用一个有限长或无限长的单队列来构造能 耗负载（即无线发射端部分）之前的能量行为模型，并假设单队列的输入/输出（即储能 部分的充电/放电）可根据能量收集部分的能量到达以及无线传输部分的能耗任意变化。
[0006] 在参考文献 3《Ongaro, Fabio, Stefano Saggini, and Paolo Mattav e11 i · 〃Li-ionbattery-supercapacitor hybrid storage system for a long lifetime, photovoltaic-based wireless sensor network. "Power Electronics, IEEE Transactions on27. 9 (2012) : 3944-3952》所披露的实际系统中，为了使系统的储能部分能 够近似上述假设，往往同时采用超级电容与储能电池并存的混合储能系统，利用超级电容 支撑快速的充放电变化，利用储能电池实现大容量长时间的储能。这种情况下，由于超级电 容与电池充放电的充放电特性不同，并需采用特定的联合管理机制进行能量分布与状态管 理，这使得单队列的模型无法有效反映实际系统中管理机制以及能量的内部流动与分布， 导致以该模型输出为决策依据的发送方案的实际性能下降。
[0007] 因此，如何实现能耗负载之前的能量行为的动态建模，达到分辨系统内部能量流 动与分布，有效反映超级电容与电池在系统运行过程的充放电状态及其管理机制的机制， 并以此模型的输出为决策依据进行相适应的无线发射端发送方案控制是环境能量供电的 无线通信系统发展中的重要问题。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于克服现有技术中的环境能量供电的无线通信系统由于无法有 效反映超级电容与电池间能量的流动与分布而导致的发送方案实际性能降低的问题，从而 提供一种性能较高的无线发射端发送装置。
[0009] 为了实现上述目的，本发明提供了一种采用环境能量供电的无线发射端发送装 置，包括能量行为建模模块、发送控制决策模块、发送决策有效时长计时模块、环境能量收 集模块、能量收集预测模块、能量控制模块、储能模块、数据包缓存模块、无线发射端模块； 其中，所述储能模块包括超级电容及电池；
[0010] 所述环境能量收集模块在能量控制模块的控制下收集环境能量，并将所收集的环 境能量存储到所述储能模块中；所述储能模块向装置中的其他模块提供电能；所述能量收 集预测模块预测未来一段时间所能收集的能量的变化情况；所述数据包缓存模块缓存到达 的用户数据包并对用户数据包的到达时间进行预测；所述能量行为建模模块实现对能量控 制模块控制下形成的能量行为进行建模；所述发送控制决策模块根据能量行为建模模块 所输出的能量行为模型、能量收集预测模块输出的能量收集信息、数据包缓存模块输出的 用户数据包信息以及无线发射端模块输出的无线信道状态信息，做出包括各时隙数据包调 度、发送功率控制、数据包频谱信道分配的发送方案控制决策，并更新发送方案控制决策的 有效时长；所述发送决策有效时长计时模块检查当前时隙是否超过所述发送控制决策模块 前一次做出的发送方案控制决策的有效时长，若是，由所述能量行为建模模块重新建模、由 所述发送控制决策模块重新进行决策，否则通知无线发射端模块按照上一次的发送方案控 制决策执行数据包的发送；所述无线发射端模块用于将用户数据包的数据由无线空口发送 给用户，还能预测未来一定时间内无线信道状态变化情况。
[0011] 上述技术方案中，所述能量行为建模模块依据所述能量控制模块所建立的能量控 制规则建立传输时隙i时整个能量控制机制的状态机模型；然后根据所建立的状态机模 型，抽取整合各独立状态，导出相应代数来表示相应的能量行为模型；其中的能量控制规则 用于控制所述环境能量收集模块的激活与休眠，以及控制所述储能模块中超级电容与电池 的充放电状态。
[0012] 上述技术方案中，所述发送控制决策模块采用如下方式生成发送方案控制决策：
[0013] 首先结合所述能量行为建模模块所输出的能量行为模型建立控制准则；
[0014] 接着根据数据包缓存模块中的数据包缓存信息与数据包到达预测信息确定或更 新发送方案控制决策的有效时长；
[0015] 然后由所述有效时长确定调度数据包的集合；
[0016] 再接着，将所述有序时长划分为两层时序结构，基于该时序结构，结合当前电池电 压与能量控制模块所采用的能量控制规则，确定当前发送方案决策的有效时长内可选电池 充放电次序方案的集合；
[0017] 为所述可选电池充放电次序方案的集合中的某一方案所对应的有效时长内各时 隙中可发送的数据包进行频谱单元信道分配；
[0018] 基于所述数据包频谱单元信道分配方案以及对应的电池充放电次序方案，确定各 数据包在各时隙是否存在可行的发送功率方案；若存在可行的发送功率方案，则当前电池 充放电次序方案及相应的数据包频谱单元信道分配、数据包发送功率控制方案为所述发送 方案控制决策；否则从所述可选电池充放电次序方案的集合中选取另一电池充放电次序方 案，然后重新进行频谱单元信道分配以及发送功率方案是否可行的判断，直至得到发送方 案控制决策。
[0019] 上述技术方案中，所述根据数据包缓存模块中的数据包缓存信息与数据包到达预 测信息确定或更新发送方案控制决策的有效时长包括：
[0020] 根据数据包到达预测信息，得到在1。+1时间段内即将到达的数据包；其中i。为当 前时隙，T p为能量收集状态、无线信道状态、数据包到达的确切时间、数据包的大小与时延 要求均已知的未来一段时间的长度；
[0021] 根据数据包的时延要求，将已缓存的数据包及在h+Tp时间段内即将到达的数据 包按照其所需发送完毕的截止期限按照从小到大加以排列；
[0022] 从所述已缓存数据包及在iJTp时间段内即将到达的数据包中选取截止期限在 i〇+TP的数据包；
[0023] 搜索在截止期限后一段时间内无数据包剩余且无数据包到