[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

说明书

本发明公开了一种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，针对发送端配备能量收集设备的无线通信系统，基于Lyapunov优化框架，控制源节点的发送功率，最大化长期时间平均传输速率。功率决策算法中考虑了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充放电效率。由于能量到达和信道状态是随机过程，该问题是一个随机优化问题。利用Lyapunov优化框架将电池电量的约束条件转为能量虚队列的稳定性要求，将需要最大化的速率的负作为惩罚项，通过使漂移加惩罚最小化，在满足约束条件的同时最大化平均传输速率。本发明仅依赖于当前的信道状态和电池状态做出功率控制的决策，有较低的计算复杂度。

技术领域

本发明涉及信息通信领域，具体是涉及能量收集通信系统中电池非线性充放电模型下的在线功率控制方法。

背景技术

通信网络中能量消耗日益增大，绿色通信技术是通信学术界和产业界关注的重要技术之一。从环境中收集能量，为通信网络中的设备提供电力供应，可以减少对电网或电池的依赖，降低网络运营成本，更是物联网中不能通过电网供电或电池更换不便节点供电问题的理想解决方案。通信学术界对能量收集通信系统和网络的研究课题主要包括能量的来源及其数学模型、能量收集和使用的协议、能量使用的调度和优化等。对于采用能量收集(EH,Energy Harvesting)设备供电的无线通信系统，由于环境中的能量源具有间歇性和随机性，加之设备的移动性和无线信道的随机时变衰落特性，需要对能量的使用和调度策略进行精心的设计。

能量的收集和使用有两种典型方式，一种是收集—使用方式，收集到的能量转换为电能后直接供设备使用，不进行存储；第二种是收集—存储—使用方式，能量先收集，转换为电能后进行储存，然后再使用。收集—存储—使用方式能够在一定程度上对能量的使用进行调度和控制，能量的使用相对更灵活，目前能量收集通信系统中大多采用这种方式。EH设备收集能量的来源可以是太阳能、射频信号、热能、震动能等，能量收集量具有显著的不稳定性和随机性。根据收集能量的状态和信道的状态，对能量使用进行合理的调度是一个重要的研究课题，发送功率的控制是其中的热点问题之一。目前学术界研究的EH通信系统中的功率控制策略有离线策略和在线策略两大类。

离线策略是一种理想的策略，需要事先获得能量收集过程和信道状态的变化过程的具体信息。在实际的系统中，能量收集量和信道衰落状态随机变化，不可能事先获得，离线策略实际上不能实用，但为相同系统模型下在线策略提供了性能参考。文献[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.]针对由两个EH源节点发送相关的信息的系统模型，研究了使传输信息的失真最小化的发送功率控制问题，在能量收集过程完全可预测的情况下，提出了一种离线迭代算法来求解最优的功率分配。文献[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.]针对EH系统中能量存储过程存在损耗的问题，提出一种能量收集—使用—存储的策略，收集的能量优先用于数据的传输，减少能量的存储损耗。在能量到达时间和数量已知情况下，文献提出了一种离线功率控制算法最大化吞吐量。