[发明专利]能量收集无线通信系统中电池实际充放电特性下的功率控制方法

权利要求书

1.能量收集无线通信系统中电池实际充放电特性下的功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)发送端配备能量收集设备的无线通信系统中，考虑可充电电池充放电过程中的能量损失，采用非线性数学模型来描述可充电电池充放电效率，在电池存储电量约束下，建立以最大化长期平均传输速率为目标优化源节点的发送功率使系统传输速率最大化问题模型；

所述建立系统传输速率最大化问题模型包括：根据实验数据拟合充电效率函数为

其中A₁＝34.75，B₁＝35.13，i_c(t)为充电电流，C_cap为电池的容量；

根据实验数据拟合放电能量效率函数为

其中A₂＝29，B₂＝29.17，i_d(t)为放电电流；

记时隙t发送信号的功率为P(t)，由于电池放电过程存在损耗，电池的放电功率为系统的可达传输速率为

为归一化信道增益；

放电效率为放电电流i_d(t)的函数，将速率表达式中的放电功率用放电电流与电池电压的乘积替换，即P_d(t)＝U(t)i_d(t)，这样传输速率R(t)就是放电电流i_d(t)的函数，优化问题中的优化变量可更改为i_d(t)，具体优化问题为：

s.t.0≤P_d(t)≤P_d,max

0≤ΔtP_d(t)≤E_b(t)-E_min

式中，P_d,max为最大发送功率约束；E[·]表示期望运算；0≤ΔtP_d(t)≤E_b(t)-E_min为电池存储电量约束，Δt为一个时隙的时长，E_b(t)表示电池电量，E_min为电池存储电量的最小值；为长期电量约束，即所有收集的能量都应用于发送，其中，分别为平均每时隙存储进电池的电能和平均发送功率；

(2)利用Lyapunov优化框架对优化目标长期平均传输速率进行转化，具体包括，首先在电池电量值上加一个偏移量得到反映源节点电池电量的虚队列，然后构造反映虚队列状态的Lyapunov函数、反映队列稳定性的Lyapunov队列漂移，将需要最大化的速率的负作为惩罚项，构造“漂移加惩罚”项，将受约束的最大化速率的优化问题转化为最小化“漂移加惩罚”项；

将源节点的电池电量加一个偏移量后作为能量虚队列：

式中，δ表示偏移量，为正常数；

定义二次Lyapunov函数

Lyapunov漂移定义为

L(X(t))，L(X(t+1))分别表示当前时隙与下一时隙的Lyapunov函数；

“漂移加惩罚”项为ΔX(t)-VE[R(t)|X(t)]

式中E[R(t)]是优化的目标——平均传输速率，其负值为惩罚项，V是漂移和惩罚项之间的权重，是大于0的常数；

将优化问题转化为最小化“漂移加惩罚”项，即

(3)将最小化“漂移加惩罚”项转化为最小化“漂移加惩罚”项的上界，优化问题转换为

(4)求解优化目标函数的极值点，并从极值点和边界点集合中找到最优解；

(5)在获得最优的放电电流后，易得信号的最优发送功率为其中U(t)由当前的电池电量E_b(t)确定，U(t)为电池的开路电压，以满足最大化速率的需求。

2.根据权利要求1所述能量收集无线通信系统中电池实际充放电特性下的功率控制方法，其特征在于：步骤(1)所述建立以最大化长期平均传输速率为目标优化源节点的发送功率使系统传输速率最大化问题模型，根据信道状态和电池状态，以最大化长期时间平均保密速率为目标，以最大发送功率限制、电池存储电量对发送功率的限制和电池电量变化为约束条件，源节点调节发送功率向目的节点发送信息使最大化传输速率并提高能量使用效率。