基于能量收集的通信系统信道数据发送的最优功率分配方法，属于无线通信技术领域。相比传统无线系统，带有可收集能量节点的无线系统具有使用寿命长、受环境约束力小、持久性高等优点，是对无线通信系统性能的一大改善。在该最优功率分配方法中，在发送端发送数据的同时，发送端可收集能量的节点收集能量并存储在发送端电池中以供数据点对点发送时使用，在满足电池存储容量有限约束和能量因果约束前提下，在发送端分配不同时隙的发送功率，以实现在截至时间内系统吞吐量最大化。其优点是在满足数据发送的相关要求下，合理利用发送端收集的能量发送数据，实现系统吞吐量最大化，从而提高系统性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于能量收集的通信系统信道数据发送的最优功率分配方法，属于无线通信
技术介绍
随着无线通信技术的不断发展，基于能量收集的无线通信系统的研究越来越引起人们的关注。带有能量收集节点的无线通信系统，可以从自然界中如太阳能电池、振动吸收设备、水磨机、热点发电机、微生物燃料电池等中收集能量，以供无线通信系统工作使用。在此类系统中，发送端的能量收集器可以在发送数据的同时收集能量，并且存储在电池中以供后面的数据发送阶段使用。于是，我们需要研究新的发送数据的功率分配方法，以充分利用发送端收集的能量，同时又满足数据发送的吞吐量最大化的相关要求。最近，文献中多有基于能量收集的数据发送的相关研究，这些研究都致力于在整个数据发送过程中在能量因果约束和电池容量有限约束情况下，提高整个系统的吞吐量，而未考虑每个发送的过程中数据发送所耗能量不能超过电池当前能量这一重要约束条件。如“TransmissionwithEnergyHarvestingNodesinFadingWirelessChannels：OptimalPolicies”(含有能量收集节点的无线衰落信道中数据发送的最优方法)【IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,VOL,29,NO.8,SEPTEMBER2011】一文中讨论了在无线信道中，该系统的能量收集器将收集的能量存储在发送端的电池中，发送端利用电池中的能量发送数据，实现系统吞吐量最大化，同时还要满足能量收集的因果约束及电池容量有限约束，但未考虑每个发送阶段过程中电池中存储的可用能量与发送数据所耗能量的关系。目前在可查资料中，仍然没有这方面的研究。
技术实现思路
为了弥补现有技术存在的不足，在考虑能量收集过程中同时发送数据，以实现吞吐量最大化，并且保证每个发送阶段中所耗能量不超过电池当前存储能量以及整个发送过程中收集能量与消耗能量之差不会造成电池容量溢出，本专利技术提出了一种基于能量收集的通信系统信道数据发送的最优功率分配方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于能量收集的通信系统信道数据发送的最优功率分配方法，由基于能量收集的数据通信系统来实现：该系统包括发送端Tx、接收端Rx，在发送端有存放待发送数据的数据队列和用来收集能量的电池，接收端用来接收数据；采用平稳信道即信道增益h(t)＝1；假设已知时间[0,T]内的时刻{t1,t2,...ti,...,tN本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于能量收集的通信系统信道数据发送的最优功率分配方法，由基于能量收集的数据通信系统来实现：该系统包括发送端Tx、接收端Rx，在发送端有存放待发送数据的数据队列和用来收集能量的电池，接收端用来接收数据；采用平稳信道即信道增益h(t)＝1；假设已知时间[0,T]内的时刻{t1,t2,...ti,...,tN}，对应每个时刻到达发送端电池的能量大小为{E1,E2,...,Ei,...,EN}，其中初始时刻发送端电池中有能量E0，定义电池最大存储容量为Emax，则对所有i均有Ei≤Emax；相邻的两次能量到达发送端电池的时间间隔定义为一个“时隙”，第i个时隙表示的时间区间为[ti‑1,ti)，则第i个时隙的时长表示为Ti＝ti‑ti‑1，最后一个时隙时长TN+1＝T‑tN；规定在每个时隙中系统发送端发送数据的功率须是恒定的，用pi,i＝1,...,N+1表示；集合表示能量到达发送端电池的时刻以及各时刻到达发送端电池的能量的集合，该分配方法步骤如下：(1)确定优化问题定义Bi为ti时刻电池中可用的能量，得到：Bi＝Bi‑1‑Tipi+Ei (1)其中B0＝E0，B0表示电池中初始时的可用能量；我们的目的是在T时间内，给定发送端电池收集的能量前提下实现数据发送过程中的吞吐量最大化，同时要满足以下两个约束条件：约束条件1：在每个时隙内，发送端发送数据所消耗的能量不能大于电池中可用的能量，即：Tipi≤Bi‑1,i＝1,...,N+1 (2)约束条件2：电池容量有限约束，即发送端电池收集的能量减去发送数据消耗的能量，剩余能量要小于或等于电池存储最大容量：(E0+E1)‑T1p1≤Emax，上式表示在第一个时隙末，收集的能量减去消耗的能量要小于或等于电池最大容量Emax；(E0+E1+E2)‑(T1p1+T2p2)≤Emax，上式表示在第二个时隙末，收集的总能量减去消耗的总能量要小于或等于电池最大容量Emax；(E0+E1+E2+E3)‑(T1p1+T2p2+T3p3)≤Emax，上式表示在第三个时隙末，收集的总能量减去消耗的总能量要小于或等于电池最大容量Emax；同理以此类推，直到(E0+E1+E2+E3+...+EN)‑(T1p1+T2p2+T3p3+...+TNpN)≤Emax，上式表示在第N个时隙末，收集的总能量减去消耗的总能量要小于或等于电池最大容量Emax；为了方便，我们将上述式子归纳为：Σi=0kEi-Σi=1kTipi≤Emax,k=1,...,N---(3)]]>其中表示对Ei从E0一直到Ek的求和；表示对Tipi从T1p1一直到Tkpk的求和，这样我们可以构造如下优化问题为：maxpi≥0Σi=1N+1Ti2log(1+pi)---(4)]]>subject to Ti+1pi+1≤Bi,i＝0,...,N(5)Σi=0kEi-Σi=1kTipi≤Emax,k=1,...,N---(6)]]>式(4)中符号max表示求最大值符号，该符号后为目标函数，符号subject to表示约束符号，表示时间[0,T]内发送数据量最大化即吞吐量最大化，(5)式和(6)式分别为发送数据过程中发送端需要满足的约束条件，该优化问题是凸问题，存在唯一解；(2)求解优化问题对上述优化问题中的式子进行数学变换，(1)式中可以看出电池中可用的能量Bi与第i时隙之前的时隙发送端电池所收集的能量有关，这是因为受到能量因果约束，联立(1)式和(5)式可得：T1p1≤E0,上式表明第一个时隙发送端消耗的能量应小于或等于原始能量；T1p1+T2p2≤E0+E1,上式表明前二个时隙发送端消耗的总能量小于或等于收集的总能量，同理以此类推，直到T1p1+T2p2+...+Tipi+...+TN+1pN+1≤E0+E1+...+Ei‑1+...+EN,上式表明前N个发送端时隙消耗的总能量小于或等于收集的总能量；为了方便，我们将上述式子归纳为：Σi=1k+1Tipi≤Σi=0kEr,k=0,...,N---(7)]]>利用凸优化理论将原始最大优化问题进行转换，于是得到与式(4)‑(6)相等意义的最小优化问题：minpi≥0-Σi=1N+1Ti2log(1+pi)---(8)]]>subject toΣi=1kTipi≤Σi=0k-1Ei,k=1,...,N+1---(9)]]>Σi=0kEi-Σi=1kTipi≤Emax,k=1,...,N---(10)]]>根据凸优化理论，可得拉格...
【技术特征摘要】
1.一种基于能量收集的通信系统信道数据发送的最优功率分配方法，由基于能量收集的数据通信系统来实现：该系统包括发送端Tx、接收端Rx，在发送端有存放待发送数据...
【专利技术属性】
技术研发人员：马丕明，崔敏玉，马艳波，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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