[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

本發明公開了一種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，針對發送端配備能量收集設備的無線通信系統，基于Lyapunov優化框架，控制源節點的發送功率，最大化長期時間平均傳輸速率。功率決策算法中考慮了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充放電效率。由于能量到達和信道狀態是隨機過程，該問題是一個隨機優化問題。利用Lyapunov優化框架將電池電量的約束條件轉為能量虛隊列的穩定性要求，將需要最大化的速率的負作為懲罰項，通過使漂移加懲罰最小化，在滿足約束條件的同時最大化平均傳輸速率。本發明僅依賴于當前的信道狀態和電池狀態做出功率控制的決策，有較低的計算復雜度。

技術領域

本發明涉及信息通信領域，具體是涉及能量收集通信系統中電池非線性充放電模型下的在線功率控制方法。

背景技術

通信網絡中能量消耗日益增大，綠色通信技術是通信學術界和產業界關注的重要技術之一。從環境中收集能量，為通信網絡中的設備提供電力供應，可以減少對電網或電池的依賴，降低網絡運營成本，更是物聯網中不能通過電網供電或電池更換不便節點供電問題的理想解決方案。通信學術界對能量收集通信系統和網絡的研究課題主要包括能量的來源及其數學模型、能量收集和使用的協議、能量使用的調度和優化等。對于采用能量收集(EH,Energy Harvesting)設備供電的無線通信系統，由于環境中的能量源具有間歇性和隨機性，加之設備的移動性和無線信道的隨機時變衰落特性，需要對能量的使用和調度策略進行精心的設計。

能量的收集和使用有兩種典型方式，一種是收集—使用方式，收集到的能量轉換為電能后直接供設備使用，不進行存儲；第二種是收集—存儲—使用方式，能量先收集，轉換為電能后進行儲存，然后再使用。收集—存儲—使用方式能夠在一定程度上對能量的使用進行調度和控制，能量的使用相對更靈活，目前能量收集通信系統中大多采用這種方式。EH設備收集能量的來源可以是太陽能、射頻信號、熱能、震動能等，能量收集量具有顯著的不穩定性和隨機性。根據收集能量的狀態和信道的狀態，對能量使用進行合理的調度是一個重要的研究課題，發送功率的控制是其中的熱點問題之一。目前學術界研究的EH通信系統中的功率控制策略有離線策略和在線策略兩大類。

離線策略是一種理想的策略，需要事先獲得能量收集過程和信道狀態的變化過程的具體信息。在實際的系統中，能量收集量和信道衰落狀態隨機變化，不可能事先獲得，離線策略實際上不能實用，但為相同系統模型下在線策略提供了性能參考。文獻[Dong Y,Chen Z,Wang J,et al.Optimal power control for transmitting correlated sourceswith energy harvesting constraints[J].IEEE Transactions on WirelessCommunications,2018,17(1):461-476.]針對由兩個EH源節點發送相關的信息的系統模型，研究了使傳輸信息的失真最小化的發送功率控制問題，在能量收集過程完全可預測的情況下，提出了一種離線迭代算法來求解最優的功率分配。文獻[Yuan F,Zhang Q T,JinS,et al.Optimal harvest-use-store strategy for energy harvesting wirelesssystems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2015,14(2):698-710.]針對EH系統中能量存儲過程存在損耗的問題，提出一種能量收集—使用—存儲的策略，收集的能量優先用于數據的傳輸，減少能量的存儲損耗。在能量到達時間和數量已知情況下，文獻提出了一種離線功率控制算法最大化吞吐量。