[发明专利]一种能量收集通信系统功率和调制方式在线联合控制方法

说明书

本发明公开了一种基于Lyapunov优化框架的能量收集通信系统中功率和调制方式在线联合控制方法，针对源节点配备能量收集装置的点对点能量收集无线通信系统，在能量到达和信道状态的随机变化条件下，最大化长期平均传输速率。该方法利用Lyapunov优化框架将电池操作和可用能量约束下的长期时间控制方法转化为每时隙以虚队列“漂移加惩罚”最小化为目标的发送功率、调制方式和帧长的联合控制方法，并求解。本发明仅依赖于当前的电池状态和信道状态信息做出决策，计算复杂度低，实用性强。

技术领域

本发明涉及信息通信领域，具体是涉及采用收集能量供电的通信系统的发送功率、调制方式联合控制方法。

背景技术

随着无线通信技术的迅猛发展，其应用领域不断扩大，网络用户数急剧增加，能量消耗问题日益严峻。以“开源”、“节流”为理论的绿色通信技术是目前学术界和产业界研究的热点技术之一。能量收集(EH,energy harvesting)是“开源”的重要技术手段，通信网络中的节点从自然环境中收集能量(如太阳能、风能、热能等)并转化为电能用于信息的传输。由于环境能量源具有不稳定性，能量收集量具有明显的随机变化特性，再加上无线信道状态的随机性，需要对信号发送功率和信息传输速率进行动态的控制，以高效地利用收集的能量和信道资源。其中发送机的发送功率控制是目前研究较多的问题。现有的相关文献中提出的功率控制策略可分为离线控制策略和在线控制策略两类。

离线管理策略应用于事先知道收集的能量、信道状态等信息的情况。虽然这一假设缺乏合理性，但离线策略能获得优越的性能，因而常被作为评估其他策略性能的上界。文献[REZAEE M,MIRMOHSENI M.Energy harvesting systems with continuous energy anddata arrivals:The optimal offline and heuristic online algorithms[J].IEEEJournal on Selected Areas in Communications,2016,34(12):3739-3753.]中考虑具有连续能量和数据到达的能量收集通信系统，给出了一个三步最优能量调度算法以实现单用户吞吐量最大化。首先将数据到达和能量收集建模为连续函数，再寻求一种离线功率控制算法，在有限时隙数量下最大化系统平均吞吐量。文献[OZEL O,TUTUNCUOGLU K,ULUKUS S,et al.Transmission with energy harvesting nodes in fading wireless channels:Optimal policies[J].IEEE Journal of Selected Areas in Communications,2011,29(8):1732-1743.]针对衰落信道条件下的能量收集系统，提出了一种定向注水算法，对每时隙发送功率进行控制，在有限的传输时间内最大化信息传输量，或在一定传输数据量要求下最小化传输时间。定向注水算法指当前时隙收集的能量只可供以后的时隙进行功率注水，而不可分配给之前时隙使用的注水算法，即收集能量的使用受到因果性的约束，能量只能定向流动。