块 (108) 、无线发射端模块（109);其中，所述储能模块（107)包括超级电容及电池； 所述环境能量收集模块（104)在能量控制模块（106)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（107)中；所述储能模块（107)向装置中的其他模块 提供电能；所述能量收集预测模块（105)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（108)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（101)实现对能量控制模块（106)控制下形成的能量行为进行建 模；所述发送控制决策模块（102)根据能量行为建模模块（101)所输出的能量行为模型、 能量收集预测模块（105)输出的能量收集信息、数据包缓存模块（108)输出的用户数据包 信息W及无线发射端模块（109)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（103)检查当前时隙是否超过所述发送控制决策 模块（102)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 (101)重新建模、由所述发送控制决策模块（102)重新进行决策，否则通知无线发射端模块 (109) 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（109)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。2. 根据权利要求1所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，所 述能量行为建模模块（101)依据所述能量控制模块（106)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（104)的激活与休眠，W及控制所述储能模块（107)中超级电容与电池的 充放电状态。3. 根据权利要求1所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，所 述发送控制决策模块（102)采用如下方式生成发送方案控制决策： 首先结合所述能量行为建模模块（101)所输出的能量行为模型建立控制准则； 接着根据数据包缓存模块（108)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； 然后由所述有效时长确定调度数据包的集合； 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（106)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； 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； 基于所述数据包频谱单元信道分配方案W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W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。4. 根据权利要求3所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，所 述根据数据包缓存模块（108)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： 根据数据包到达预测信息，得到在i"+Tp时间段内即将到达的数据包；其中i。为当前时 隙，Tp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； 根据数据包的时延要求，将已缓存的数据包及在i。巧P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W排列； 从所述已缓存数据包及在i。巧P时间段内即将到达的数据包中选取截止期限在i。巧P的 数据包； 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达的数据包，将送些数据包 的集合设为。，当二;?'.W最近的无数据包发送时间点为有效时长的截止时间；否则，W ic+Tp时间段内所涉及的最后的数据包的截止时间为有效时长的截止时间。5. 根据权利要求3所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，所 述有效时长的两层时序结构包括：下层结构，所述下层结构中的基本时间单位为系统调度 时隙；上层结构，所述上层结构中的基本时间单位为电池充放电状态变化单位区间，它包括 多个系统调度时隙。6. 根据权利要求5所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，所 述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包括： 设当前策略有效时长内的电池充放电区间总数为K，第k个区间的充放电状态由Ol变 量yk标识，yk= 1表示区间k中电池充电，yk= 0表示区间k中电池放电，令第j种充放电 次序方案表示为{,如矮始，…，妊}: 当满足下述条件时，充放电次序方案j为可选的： 当备的日寸，拇当其他，任意；其中，W表示当前时隙的 电池电压，I巧为电池充放电深度口限，当电池电压低于[巧时，电池不再进行放电，当电池 电压高于巧S时，电池不再进行充电； 当巧(/)《骑日寸，从!；当U化)之'於气其他，始任意；其中巧说表示 方案j区间k结束时电池的电压，由下式给出： 其中的为电池恒流充电时，电池电压对于电流的近似斜率，诚为电池恒流放电时， 电池电压对于电流的近似斜率；tk为有效时长的上层结构的第k个电池充放电状态区间的 长度，好为电池的充电电流，j't;'为电池的放电电流； 将所得到的可选的电池充放电次序方案形成集合w，将该集合中的各次序方案按照在 有效时长结束后的电池电压由大到小进行排列。7. 根据权利要求3所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，所 述可行的发送功率方案应当满足： a、每个数据包必须在其发送截止时间内发送完毕； K在电池充电区间内任意时刻不出现能量溢出，且超级电容存储能量始终大于超级电 容口限值巧， C、在电池放电区间内任意时刻不出现功能不足，且超级电容存储能量始终不大于嫁。8. 基于权利要求1-7之一所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置所实现的 发射方法，包括： 步骤1)、系统初始化； 步骤2)、所述能量控制模块（106)根据环境能量收集模块（104)所收集的环境能量、负 载的能耗状况、储能模块（107)中的超级电容与电池状态的状态，控制环境能量收集模块 (104)的激活与休眠、超级电容与电池的充放电状态； 步骤3)、判断当前时隙是否超过上一次发送方案控制决策的有效时长内，如果没有超 过，执行步骤6)，如果已经超过，执行下一步； 步骤4)、能量行为建模模块（101)为能量控制模块（106)所采用的控制规则建立模型， 进而依据当前收集能量输入、超级电池及电池状态，在每个系统传输时隙i对超级电容及 电池的充放电状态、能量流动状态W及趋势进行模型化输出； 步骤5)、发送控制决策模块（102)根据能量收集状态预测信息、无线信道状态预测信 息、数据包缓存信息W及能量行为建模模块（101)的输出信息进行发送方案的动态控制W 做出相应的发送方案控制决策，所述发送方案控制决策包括：确定发送方案控制准则、确定 或更新发送方案有效时长、数据包调度、建立发送方案调度时序层次、确定电池预期充放电 次序、确定有效时长内各时隙数据包信道分配及数据包发送功率； 步骤6)、无线发射端模块（109)根据发送方案控制决策，在决策有效时长内采用相应 发送方案进行数据包发送。
【专利摘要】本发明涉及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。
【IPC分类】H04B1/02, H02J7/00
【公开号】CN105207684
【申请号】CN201410282855
【发明人】陈鑫, 李宏佳, 霍冬冬, 王泽珏, 叶灵宝, 杨畅, 慈松, 赵志军, 谭红艳
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2014年6月23日