[發明專利]能量收集無線通信系統中電池實際充放電特性下的功率控制方法

有效

• 申請號: 202110430035.9
• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113141646B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 雷維嘉;陳海林;張鑰
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04W52/26
• 分類號: H04W52/26;H04W52/24;H04W52/18
• 代理公司: 重慶市恒信知識產權代理有限公司 50102
• 代理人: 李金蓉

1.能量收集無線通信系統中電池實際充放電特性下的功率控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)發送端配備能量收集設備的無線通信系統中，考慮可充電電池充放電過程中的能量損失，采用非線性數學模型來描述可充電電池充放電效率，在電池存儲電量約束下，建立以最大化長期平均傳輸速率為目標優化源節點的發送功率使系統傳輸速率最大化問題模型；

所述建立系統傳輸速率最大化問題模型包括：根據實驗數據擬合充電效率函數為

其中A₁＝34.75，B₁＝35.13，i_c(t)為充電電流，C_cap為電池的容量；

根據實驗數據擬合放電能量效率函數為

其中A₂＝29，B₂＝29.17，i_d(t)為放電電流；

記時隙t發送信號的功率為P(t)，由于電池放電過程存在損耗，電池的放電功率為系統的可達傳輸速率為

為歸一化信道增益；

放電效率為放電電流i_d(t)的函數，將速率表達式中的放電功率用放電電流與電池電壓的乘積替換，即P_d(t)＝U(t)i_d(t)，這樣傳輸速率R(t)就是放電電流i_d(t)的函數，優化問題中的優化變量可更改為i_d(t)，具體優化問題為：

s.t.0≤P_d(t)≤P_d,max

0≤ΔtP_d(t)≤E_b(t)-E_min

式中，P_d,max為最大發送功率約束；E[·]表示期望運算；0≤ΔtP_d(t)≤E_b(t)-E_min為電池存儲電量約束，Δt為一個時隙的時長，E_b(t)表示電池電量，E_min為電池存儲電量的最小值；為長期電量約束，即所有收集的能量都應用于發送，其中，分別為平均每時隙存儲進電池的電能和平均發送功率；

(2)利用Lyapunov優化框架對優化目標長期平均傳輸速率進行轉化，具體包括，首先在電池電量值上加一個偏移量得到反映源節點電池電量的虛隊列，然后構造反映虛隊列狀態的Lyapunov函數、反映隊列穩定性的Lyapunov隊列漂移，將需要最大化的速率的負作為懲罰項，構造“漂移加懲罰”項，將受約束的最大化速率的優化問題轉化為最小化“漂移加懲罰”項；

將源節點的電池電量加一個偏移量后作為能量虛隊列：

式中，δ表示偏移量，為正常數；

定義二次Lyapunov函數

Lyapunov漂移定義為

L(X(t))，L(X(t+1))分別表示當前時隙與下一時隙的Lyapunov函數；

“漂移加懲罰”項為ΔX(t)-VE[R(t)|X(t)]

式中E[R(t)]是優化的目標——平均傳輸速率，其負值為懲罰項，V是漂移和懲罰項之間的權重，是大于0的常數；

將優化問題轉化為最小化“漂移加懲罰”項，即

(3)將最小化“漂移加懲罰”項轉化為最小化“漂移加懲罰”項的上界，優化問題轉換為

(4)求解優化目標函數的極值點，并從極值點和邊界點集合中找到最優解；

(5)在獲得最優的放電電流后，易得信號的最優發送功率為其中U(t)由當前的電池電量E_b(t)確定，U(t)為電池的開路電壓，以滿足最大化速率的需求。

2.根據權利要求1所述能量收集無線通信系統中電池實際充放電特性下的功率控制方法，其特征在于：步驟(1)所述建立以最大化長期平均傳輸速率為目標優化源節點的發送功率使系統傳輸速率最大化問題模型，根據信道狀態和電池狀態，以最大化長期時間平均保密速率為目標，以最大發送功率限制、電池存儲電量對發送功率的限制和電池電量變化為約束條件，源節點調節發送功率向目的節點發送信息使最大化傳輸速率并提高能量使用效率。