CN103596251A - 一种采用可再生能源供电及节能方式的中继通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用可再生能源供电及节能方式的中继通信系统，特征是基站由传统电网能源供电，中继由能量收集装置收集的可再生能源供电，中继将收到的信号处理并转发；在下行链路中，中继周期性地向基站发送信道状态信息和当前的能量储备，基站根据负载信息、中继反馈的信息和信道状况确定选择直连或中继传输模式，并进行相应的下行链路资源分配；在上行链路中，中继周期性地向基站发送用户至中继的信道状态信息和当前的能量储备，基站结合该信息、负载信息以及自身估计所得的中继至基站、用户至基站的信道状态信息选择直连或中继传输模式，并进行相应的上行链路资源分配。采用本发明方法既能保证通信质量，又能节省不可再生能源消耗。

Description

一种采用可再生能源供电及节能方式的中继通信系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及采用可再生能源供电及节省系统内由不可再生能源供电的网络节点能耗方式的中继通信系统。

背景技术

随着无线通信技术的发展，用户对数据传输速率的要求越来越高，这使得蜂窝小区的覆盖范围大大受限；此外通信设备的急剧增多，也使得蜂窝系统的能耗越来越大。在无线通信系统中加入中继，可以降低信道衰落对数据传输的影响，扩大基站的覆盖范围，在达到相同传输速率的前提下降低基站和移动终端的发送功率，从而降低能耗。但是考虑到中继自身的能耗，传统的中继无线通信系统的整体能耗依旧很高。

通信系统如通过收集可再生能量如太阳能、风能、热能等供电，则可以减少对不可再生能量的消耗，从而达到节能的目的。但是由于收集到的可再生能量具有随机到达特性，如果基站和中继都使用收集的能量供电，则很难保证用户所需的通信质量。在电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronic Engineers）通信特定领域期刊（Journal on Selected Areas in Communications）2013年8月第31卷第8号1469至1479页发表的“能量收集约束下高斯中继信道的吞吐量最大化研究”（Throughput Maximization for the Gaussian Relay Channel with Energy HarvestingConstraints）一文所公开的技术方案中，无线站点（包括基站和中继）均由收集到的可再生能量供电，但是当系统的通信需求较高时，基站收集到的能量可能无法满足用户的通信需求，从而导致通信中断。此外，该文只考虑了系统的吞吐量，并没有涉及系统的能效问题。

另外，无线站点（包括基站和中继）处于工作状态时，其电路及其他一些组件能量消耗较大。当负载较低时，无线站点（包括基站和中继）如果一直处于工作状态，会造成能量浪费。因此，无线站点（包括基站和中继）休眠是一种有效的节能方法，合理控制基站和中继的工作时间和发送功率，可以有效降低系统的能耗。但是，目前在采用可再生能源供电的通信系统中，至今还没有见到有使用休眠策略的报道。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用可再生能源供电及节省系统内由不可再生能源供电的网络节点能耗方式的中继通信系统，以实现在满足用户通信需求的同时节省该系统内由不可再生能源供电的网络节点的能耗。

本发明采用可再生能源供电的中继通信系统，其特征在于：基站由传统的电网能源供电，中继由能量收集装置收集到的可再生能源供电，中继将收到的信号处理并转发；基站采取节省系统内由不可再生能源供电的网络节点能耗的方式，根据其获得的负载信息、信道状况信息和中继的能量储备信息并考虑到各个无线站点的休眠，按照不可再生能源能效最优原则对网络中无线站点的工作时间、功率等资源进行分配；

所述基站采取的节省系统内由不可再生能源供电的网络节点能耗的方式是：在下行链路中，中继周期性地向基站发送信道状态信息和当前收集到的能量的存储情况，基站根据负载信息、中继反馈的信息和信道状况，对基站和中继的工作时间、功率等资源按照下述方式进行下行链路资源分配：该系统采用频分双工或时分双工模式进行工作；如果采用频分双工方式，基站向用户和中继发送下行导频信号并通过反馈信号获得基站至用户、基站至中继的信道状态信息，中继向用户发送下行导频信号并通过反馈信号获得中继至用户的信道状态信息；如果采用时分双工方式，用户向基站和中继发送上行导频信号，中继也向基站发送上行导频信号，然后基站根据信道互易性估计基站至中继和基站至用户的信道状态信息，中继也根据信道互易性估计中继至用户的信道状态信息并将其反馈给基站；基站根据当前的负载信息和静态功耗信息，利用中继的能耗公式和优化理论计算系统在给定时间内完成传输中继所需要的最少能量；如果中继的能量储备不能满足传输需求，则基站选择直连传输模式即直接与用户进行通信，并根据基站至用户的信道状态信息利用基站的能耗公式和优化理论计算获得休眠模式的持续时间和工作模式的发送功率以使基站能耗最低；如果中继的能量储备能够满足传输需求，则基站选择中继传输模式即通过中继进行处理并转发，并结合中继反馈来的能量和信道状态信息，利用基站和中继的能耗公式和优化理论，计算使基站能耗最低的基站和中继的相应的休眠模式的持续时间和工作模式下的发送功率，以实现基站能效最优资源分配，然后将分配结果发送给中继；

在上行链路中，中继周期性地向基站发送用户至中继的信道状态信息和当前的能量存储情况，基站结合该信息、负载信息以及自身估计所得的中继至基站、用户至基站的信道状态信息，对用户和中继的工作时间、功率等资源按照下述方式进行上行链路资源分配：通过上行导频信号以及中继的反馈信息，基站获得用户至中继、用户至基站、中继至基站的信道状态信息以及负载信息和中继储存的能量信息；基站根据当前的负载信息和静态功耗信息，利用中继的能耗公式和优化理论计算系统在给定时间内完成传输中继所需要的最少能量；如果中继的能量储备不能满足传输需求，则选择直连传输模式，并根据用户至基站的信道状态信息，利用用户端的能耗公式和优化理论计算获得休眠模式的持续时间和工作模式下的发送功率以使用户端的能耗最低，然后基站将分配结果发送给用户；如果中继的能量储备能够满足传输需求，则基站选择中继传输模式，并结合中继反馈来的能量和信道状态信息，利用用户和中继的能耗公式和优化理论，计算使用户端能耗最低的用户端和中继的相应的休眠模式的持续时间和工作模式下的发送功率，以实现用户端能效最优资源分配，然后基站指示中继和用户按照资源分配结果进行工作。

由于本发明中基站由电网能源供电、中继由收集来的可再生能量供电，相对于目前已有的不使用中继或者使用由电网能源供电的中继的通信系统，本发明的采用可再生能源供电及节省系统内由不可再生能源供电的网络节点能耗方式的中继通信系统可以在不增加不可再生能源消耗的同时扩大信号的有效覆盖范围，而相对于目前已有的基站和中继都由收集来的可再生能量供电的通信系统，该系统能够保证满足用户的通信需求；在本发明提出的中继通信系统中，采取了节省系统内由不可再生能源供电的网络节点能耗方式，由于在上下行链路资源分配方法中使用休眠策略对基站和中继进行工作时间和功率控制，降低了系统对不可再生能源的消耗，从而提高了系统的能量效率。

附图说明

图1为本发明实施例1中采用可再生能源供电的中继通信系统示意图。

图2为本发明实施例1中的基站框架图。

图3为本发明实施例1中的中继框架图。

图4为本发明实施例1中下行链路资源分配流程图。

图5为本发明实施例1中上行链路资源分配流程图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

实施例1：

图1为本发明实施例1中的采用可再生能源供电的中继通信系统示意图。如图1所示，其中，基站101由传统的电网能源104供电，中继102由能量收集设备108收集到的可再生能源供电，中继102协助基站101进行通信。BR链路105、BU链路106和RU链路107分别表示基站101与中继102、基站101与用户103、中继102与用户103之间的链路。本实施例采用可再生能源供电的中继通信系统相对于目前已有的不使用中继或者使用由电网能源供电的中继的通信系统，由于中继102由能量收集设备108收集到的可再生能源供电，并协助基站101进行通信，该系统可以在不增加不可再生能源消耗的同时扩大信号的有效覆盖范围；而相对于目前已有的基站和中继都由收集来的可再生能量供电的通信系统，由于基站101由传统的电网能源104供电，该系统能够保证满足用户的通信需求

图2为本发明实施例1中的基站框架图。如图2中所示，单线箭头符号→的指向表示控制原语的流向，空心箭头符号

的指向表示数据流的流向。基站包含收发单元201、数据存储单元202、资源分配单元203和休眠控制单元204。其中，收发单元201由无线收发机组成，用于收发基站的控制信令和数据；数据存储单元202，用于储存基站待发送的数据；资源分配单元203，用于进行系统的上下行链路资源分配；休眠控制单元204，用于控制基站的休眠和开启。

在下行链路中，基站将待发送的数据储存在数据存储单元202，并将待发数据量的参数发送给资源分配单元203，与此同时，收发单元201将反馈获得的各个信道状态信息和中继能量储备信息发送给资源分配单元203；资源分配单元203进行资源分配，并将结果发送给休眠控制单元204和收发单元201；休眠控制单元204根据资源分配结果控制基站的休眠和开启；收发单元201从数据存储单元202读取数据并完成数据传输。

在上行链路中，收发单元201将反馈获得的数据量参数、各个信道状态信息和中继能量储备信息发送给资源分配单元203；资源分配单元203进行资源分配，并将结果通过收发单元201发送给中继和用户。

图3为本发明实施例1中的中继框架图。如图3中所示，单线箭头符号→的指向表示控制原语的流向，空心箭头符号

的指向表示数据流的流向，粗黑线箭头符号

的指向表示能量流的流向。中继由能源模块307和通信模块308组成；其中能源模块307包含能量收集单元301和能量存储单元302；通信模块308包含收发单元303、数据存储单元304、控制单元305和资源管理单元306。其中，能量收集单元301由能量收集装置组成，用于完成可再生能量的收集；能量存储单元302由电池组成，用于储存收集到的能量；收发单元303由无线收发机组成，用于收发中继的数据和控制信令；数据存储单元304，用于储存中继接收到和待发送的数据；控制单元305，用于控制中继的休眠和开启；资源管理单元306，用于配置中继的无线资源使用。

能量收集单元301将收集到的不可再生能源转化为电能，并储存在能量存储单元302，为通信模块308供电。

在上下行链路中，能量存储单元302将中继能量储备信息通过收发单元303发送给基站；收发单元303接收基站发来的控制信息并汇报给控制单元305和资源管理单元306，控制单元305控制中继的休眠和开启，资源管理单元306配置中继的无线资源使用；在每个时隙的前半部分，收发单元303将从收到的数据储存在数据存储单元304，在每个时隙的后半部分，收发单元303从数据存储单元304读取数据并进行发送。

图4为本发明实施例1中下行链路资源分配流程图。如图4中所示，本实施例的这种可再生能量收集中继通信系统的实施方法具体包括以下步骤：

第401步，基站周期性地获取基站至用户、基站至中继、中继至用户的信道状态信息以及中继的能量储备信息。

第402步，基站根据当前的负载信息和静态功耗信息，利用中继的能耗公式和优化理论计算系统在给定时间内完成传输中继所需要的最少能量。

第403步，判断中继的能量储备是否满足传输需求，如果中继的能量储备不能满足传输需求，则进入第404步，基站使用直连传输模式，即中继不工作，仅由基站将数据发送给用户。第405步：根据基站至用户的信道状态信息利用基站的能耗公式和优化理论计算获得休眠模式的持续时间和工作模式的发送功率以使基站能耗最低，从而实现基站至用户链路上的基站能效最优资源分配。否则，进入第406步，基站选择中继传输模式。

第407步：基站结合中继反馈来的能量和信道状态信息，利用基站和中继的能耗公式和优化理论，计算使基站能耗最低的基站和中继的相应的休眠模式的持续时间和工作模式下的发送功率，以实现基站至中继再至用户的基站能效最优资源分配，然后将分配结果发送给中继；

第408步，基站将资源分配结果发送给中继，中继进行相应处理并协助基站进行数据传输。

上述步骤中的基站能效最优资源分配策略是在考虑休眠机制的前提下，对基站或者基站和中继的工作时间、功率等资源进行分配，以使基站的不可再生能量效率最高。

图5为本发明实施例1中上行链路资源分配流程图。如图5所示，本实施例的这种可再生能量收集中继通信系统的实施方法具体包括以下步骤：

第501步，基站周期性地获取用户至中继、用户至基站、中继至基站的信道状态信息以及负载信息和中继的能量储备信息。

第502步，基站根据当前的负载信息和静态功耗信息，利用中继的能耗公式和优化理论计算系统在给定时间内完成传输中继所需要的最少能量。

第503步，判断中继的能量储备是否满足传输需求，如果中继的能量储备不能满足传输需求，则进入第504步，基站使用直连传输模式，即中继不工作，仅由用户将数据发送给基站。第505步：基站根据用户至基站的信道状态信息，利用用户端的能耗公式和优化理论计算获得休眠模式的持续时间和工作模式下的发送功率以使用户端的能耗最低，从而实现用户至基站链路上的用户端能效最优资源分配。第506步：基站将资源分配结果发送给用户。否则，进入第507步，选择中继传输模式。

第508步：基站结合中继反馈来的能量和信道状态信息，利用用户和中继的能耗公式和优化理论，计算使用户端能耗最低的用户端和中继的相应的休眠模式的持续时间和工作模式下的发送功率，以实现用户至中继再至基站链路上的用户端能效最优资源分配。

第509步，基站将资源分配结果发送给中继和用户，中继进行相应处理并协助用户进行数据传输。

上述步骤中的能效最优资源分配策略是在考虑休眠机制的前提下，对用户和中继的工作时间、功率等资源进行分配，以使用户端的能量效率最高。

本发明实施例中的上行链路资源分配方法和下行链路资源分配方法，由于在考虑休眠机制的同时对工作时间、功率、频谱等资源进行了能效最优资源分配，降低了系统对不可再生能源的消耗，从而提高了系统的能量效率。

Claims (1)

1.一种采用可再生能源供电的中继通信系统，其特征在于：基站由传统的电网能源供电，中继由能量收集装置收集到的可再生能源供电，中继将收到的信号处理并转发；基站采取节省系统内由不可再生能源供电的网络节点能耗的方式，根据其获得的负载信息、信道状况信息和中继的能量储备信息并考虑到各个无线站点的休眠，按照不可再生能源能效最优原则对网络中无线站点的工作时间、功率等资源进行分配；

所述基站采取的节省系统内由不可再生能源供电的网络节点能耗的方式是：在下行链路中，中继周期性地向基站发送信道状态信息和当前收集到的能量的存储情况，基站根据负载信息、中继反馈的信息和信道状况，对基站和中继的工作时间、功率等资源按照下述方式进行下行链路资源分配：该系统采用频分双工或时分双工模式进行工作；如果采用频分双工方式，基站向用户和中继发送下行导频信号并通过反馈信号获得基站至用户、基站至中继的信道状态信息，中继向用户发送下行导频信号并通过反馈信号获得中继至用户的信道状态信息；如果采用时分双工方式，用户向基站和中继发送上行导频信号，中继也向基站发送上行导频信号，然后基站根据信道互易性估计基站至中继和基站至用户的信道状态信息，中继也根据信道互易性估计中继至用户的信道状态信息并将其反馈给基站；基站根据当前的负载信息和静态功耗信息，利用中继的能耗公式和优化理论计算系统在给定时间内完成传输中继所需要的最少能量；如果中继的能量储备不能满足传输需求，则基站选择直连传输模式即直接与用户进行通信，并根据基站至用户的信道状态信息利用基站的能耗公式和优化理论计算获得休眠模式的持续时间和工作模式的发送功率以使基站能耗最低；如果中继的能量储备能够满足传输需求，则基站选择中继传输模式即通过中继进行处理并转发，并结合中继反馈来的能量和信道状态信息，利用基站和中继的能耗公式和优化理论，计算使基站能耗最低的基站和中继的相应的休眠模式的持续时间和工作模式下的发送功率，以实现基站能效最优资源分配，然后将分配结果发送给中继；

在上行链路中，中继周期性地向基站发送用户至中继的信道状态信息和当前的能量存储情况，基站结合该信息、负载信息以及自身估计所得的中继至基站、用户至基站的信道状态信息，对用户和中继的工作时间、功率等资源按照下述方式进行上行链路资源分配：通过上行导频信号以及中继的反馈信息，基站获得用户至中继、用户至基站、中继至基站的信道状态信息以及负载信息和中继储存的能量信息；基站根据当前的负载信息和静态功耗信息，利用中继的能耗公式和优化理论计算系统在给定时间内完成传输中继所需要的最少能量；如果中继的能量储备不能满足传输需求，则选择直连传输模式，并根据用户至基站的信道状态信息，利用用户端的能耗公式和优化理论计算获得休眠模式的持续时间和工作模式下的发送功率以使用户端的能耗最低，然后基站将分配结果发送给用户；如果中继的能量储备能够满足传输需求，则基站选择中继传输模式，并结合中继反馈来的能量和信道状态信息，利用用户和中继的能耗公式和优化理论，计算使用户端能耗最低的用户端和中继的相应的休眠模式的持续时间和工作模式下的发送功率，以实现用户端能效最优资源分配，然后基站指示中继和用户按照资源分配结果进行工作。

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