CN104185292A - 一种能量效率最大化的数据包调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及适用于能量采集(Energy Harvesting，EH)无线传输系统的能量效率(Energy Efficiency,EE)最大化的数据包调度(Packets Scheduling)方法。本发明具体步骤如下：S1、中继根据信道和能量信息进行数据包调度；S2、中继根据调动结果给接收机和发射机发送能量；S3、中继根据调度结果从发送端主动接收数据报；S4、发射机根据调度结果向接收端转发数据包。本发明和已有的能量效率最大化的数据包调度算法相比，转发数据量更高且能量效率也更高。

Description

一种能量效率最大化的数据包调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及适用于能量采集(Energy Harvesting，EH)无线传输系统的能量效率(Energy Efficiency,EE)最大化的数据包调度(PacketsScheduling)方法。

背景技术

随着通信行业的飞速发展，通信在渗入人们生活的同时，与社会、环境的不和谐现象也日益明显。资源过度使用、巨大的能耗与污染等，引起人们越来越多的关注。根据美国著名咨询机构Gartner的调查，通信业耗能占据全球耗能2％，对比其他行业，通信业能耗相对较高。特别是在能源日益短缺的今天，如何节约能源、降低能耗成为通信业研究的一个热点问题。针对这个问题，人们提出了绿色通信的概念。绿色通信具体体现包括设备制造企业研发低能耗、低辐射的绿色产品与解决方案。运营企业建设绿色通信网络，降低网络建设及维护成本等。为适应全球化3G竞争的形势，当前国内的通信企业纷纷把绿色通信作为3G时代通信技术应用的指向。近年来人们考虑采用可再生能量(诸如光能、风能、电磁场能、辐射等)为无线通信节点功能。移动运营商目前已经开始使用具有新能源收集(Energy Harvesting)功能的基站，以降低对电网能量的需求。

然而可再生能源供能存在不稳定性，且电池容量有限，不能无限制地存储外部能量，难以预测并优化传输中对能量的使用，而一旦出现能量枯竭使得传输中断，在检测场景下可能导致重要信息无法及时传达，在蜂窝网中则会导致覆盖空洞，严重影响服务质量。因此在可再生能量获取条件下，如何有效地保障无线通信网络质量是一个重要且富有挑战的研究课题。

发明内容

本发明提出了一种适用于能量采集无线传输系统的能量效率最大化的数据包调度方法。在单用户通信系统模型下，已知信道信息和采集能量信息，提出一种最优数据包调度方法，使得在给定最大时延限制下中继转发的数量最大。

为了方便描述，先对本发明采用的模型进行介绍。本发明采用经典的三点模型，中继负责从发送端获取数据，并向接收端转发该数据。中继包括中继接收机和中继发射机，分别负责接收数据和转发数据。能量采集设备负责从周边环境中获取能量，并储存在蓄电池中，以供中继使用。中继接收机由数据缓冲池和接收器组成，中继发射机的主要构件为发射器。接收机由蓄电池供能从基站主动接收数据，并储存在数据缓冲池中；发射器同样由蓄电池供能，将数据缓冲池中的数据转发给用户。蓄电池按照本发明提出的机制将其能量分配给接收过程和发射过程。

把时间分为N个长度的时隙，不失一般性，设每个时隙的长度为Ts。假设系统在时刻t＝T_s,2T_s,…,NT_s分别采集到能量E₁,E₂,…,E_N，设最大时延为T_d＝(N+1)T_s。g(p)表示发射机发设速率r_TX,i和发射功率P_TX,i的关系，这里采用加性高斯白噪声信道，即假设中继接收数据的速率r_RX,i和功率P_RX,i之间满足线性关系：r_RX,i＝αP_RX,i，其中，α是一个和系统有关的常数。

系统以全双工模式工作。

一种能量效率最大化的数据包调度方法，具体步骤如下：

S1、中继根据信道和能量信息进行数据包调度；

S2、中继根据调动结果给接收机和发射机发送能量；

S3、中继根据调度结果从发送端主动接收数据报；

S4、发射机根据调度结果向接收端转发数据包。

进一步地，S1所述中继根据信道和能量信息进行数据包调度具体如下：

S11、根据信道和能量到达信息计算最优系统总功率及其对应的时间跨度，即在能量到达曲线上寻找当前转折点和后面所有转折点连线的斜率最小值，所述最小值对应系统当前时隙最优总功率和时隙跨度其中， $n_i=\arg \underset{n_{i-1}\≤k\≤N}{\min }\left\{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=n_{i-1}}^k{E}_i}{(k-n_{i-1})T_s}\right\};$

S12、根据速率和功率的关系计算每个时隙的系统总功率对应的接收机功率和发射机功率：根据接收机和发射机的功率与速率之间的关系，用数值方法分别求出当前时隙的接收功率和发射功率，其中，W₀(·)为Lambertw函数的实分支；

S13、确定接收机和发射机的最佳能量分配方式：在时间区间[n_i-1T_s,n_iT_s)上电池储存的采集能量为在时刻n_i-1T_s我们把能量分配给接收过程和发射过程，分别为 $E_{\mathrm{RX},i}^{*}=P_{\mathrm{RX},i}^{*}{l}_{\mathrm{RX},i}^{*},E_{\mathrm{TX},i}^{*}=P_{\mathrm{TX},i}^{*}{l}_{\mathrm{TX},i}^{*},$ 其中， $l_{\mathrm{RX},i}^{*}=l_{\mathrm{TX},i}^{*}=l_{\mathrm{sys},i}^{*};$

S14、确定中继主动从中继接收数据包的最佳方式：从时刻n_i-1T_s起，中继的接收机以恒定功率向基站接收数据包，当数据量满足时，中继主动停止接收，并进入下一个时隙的工作；

S15、循环：对S11-S14进行循环，直至遍历完所有时隙；

S16、当循环结束，系统结束工作；并计算此时系统性能：转发的总数据量为 $B_{\mathrm{Tot}}^{*}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}{P}_{\mathrm{RX},j}^{*}(n_j-n_{j-1})T_s,$ 系统全局能效为 ${\mathrm{EE}}^{*}=B_{\mathrm{Tot}}^{*}/N_{i=0}^N{E}_i.$

本发明的有益效果是：

本发明改进了一种能量效率最大化的数据包调度算法，提出了新的能量采集系统模型。将数据包接收过程也纳入优化范围之内，从传输速率和传输功率之间的关系函数的特点出发研究了最优传输功率策略的性质，从而提出了一种更为实际且有效的能量效率最大化的数据包调度算法。本发明和已有的能量效率最大化的数据包调度算法相比，转发数据量更高且能量效率也更高。

附图说明

图1是本发明算法流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。

下面对该发明提出的一种适用于能量采集无线传输系统的能量效率最优的数据包调度算法进行说明。考虑一个带限高斯白噪声信道，假设接收功率因子α＝0.68Mbps/mW，在时间t＝[2,4,6,8]s，采集到的能量分别为E＝[10,5,10,12]mJ，最大时延为T_d＝10s。处理过程具体展开如下：

步骤1、根据信道和能量到达信息计算最优系统总功率及其对应的时间跨度：在能量到达曲线上寻找当前转折点和后面所有转折点连线的斜率最小值，该值对应系统当前时隙最优总功率及时隙跨度根据公式和可得。例如，当第一次循环结束时，可得第一个时隙最优总功率＝3.75mW，时隙跨度否则，执行步骤5；

步骤2、根据速率和功率的关系，由公式和 $R_{\mathrm{TX},i}^{*}={\mathrm{\Σ}}_{j=n_{i-1}}^{n_i}{E}_i/(n_i-n_{i-1})T_s-W_0(2\mathrm{\α}\·2^{2\mathrm{\α}(P_{\mathrm{sys},i}^{*}+1)})$ 分别求出当前时隙的接收功率和发射功率例如，当第一次循环结束时，可得第一个时隙最优接收功率最优发射功率 $P_{\mathrm{TX},1}^{*}=2.4395\mathrm{mW};$

步骤3、确定接收机和发射机的最佳能量分配方式：在时间区间[n_i-1T_s,n_iT_s)上电池储存的采集能量为在时刻n_i-1T_s我们根据公式错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。把能量分配给接收过程和发射过程。在时间区间[2,6)s上电池储存的采集能量为15mJ，在时刻2s我们根据公式和把能量分配给接收过程和发射过程；

步骤4、确定中继主动从中继接收数据包的最佳方式：从时刻n_i-1T_s起，中继的接收机以恒定功率向发送端接收数据包，当数据量满足公式时，中继主动停止接收，并进入下一个时隙的工作。例如从时刻2s起，中继的接收机以恒定功率向发送端接收数据包，当数据量时，中继主动停止接收数据，并进入下一个时隙的工作。然后回到步骤1；

步骤5、计算此时系统性能：根据公式 $B_{\mathrm{Tot}}^{*}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}{P}_{\mathrm{RX},i}^{*}(n_j-n_{j-1})T_s,{\mathrm{EE}}^{*}=B_{\mathrm{Tot}}^{*}/{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^N{E}_i$ 可得转发的总数据量和系统全局能效EE^*。例如本具体实例中，总数据量＝11.0997Mbit和系统全局能效EE^*＝0.30Mbit/mJ。

其中上述步骤2、3和4为本发明的一种适用于能量采集无线传输系统的能量效率最优的数据包调度算法过程，是本发明的具体步骤。

本发明考虑了中继向发送端接收数据包的过程，把此过程中能耗对系统的影响纳入考虑范围，提出了一种适用于能量采集系统的能量效率最大化的数据包调度算法，与传统方法对比，对中继接收过程和发射过程同时做了性能优化，获得了更好的系统吞吐量和系统能量效率。

Claims (2)

1.一种能量效率最大化的数据包调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、中继根据信道和能量信息进行数据包调度；

S2、中继根据调动结果给接收机和发射机发送能量；

S3、中继根据调度结果从发送端主动接收数据报；

S4、发射机根据调度结果向接收端转发数据包。

2.根据权利要求1所述一种能量效率最大化的数据包调度方法，其特征在于：S1所述中继根据信道和能量信息进行数据包调度具体如下：

S11、根据信道和能量到达信息计算最优系统总功率及其对应的时间跨度，即在能量到达曲线上寻找当前转折点和后面所有转折点连线的斜率最小值，所述最小值对应系统当前时隙最优总功率和时隙跨度其中， $n_i=\arg \underset{n_{i-1}\≤k\≤N}{\min }\left\{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=n_{i-1}}^k{E}_i}{(k-n_{i-1})T_s}\right\};$

S12、根据速率和功率的关系计算每个时隙的系统总功率对应的接收机功率和发射机功率：根据接收机和发射机的功率与速率之间的关系，用数值方法分别求出当前时隙的接收功率和发射功率，其中，W₀(·)为Lambertw函数的实分支；

S13、确定接收机和发射机的最佳能量分配方式：在时间区间[n_i-1T_s,n_iT_s)上电池储存的采集能量为在时刻n_i-1T_s我们把能量分配给接收过程和发射过程，分别为 $E_{\mathrm{RX},i}^{*}=P_{\mathrm{RX},i}^{*}{l}_{\mathrm{RX},i}^{*},E_{\mathrm{TX},i}^{*}=P_{\mathrm{TX},i}^{*}{l}_{\mathrm{TX},i}^{*},$ 其中， $l_{\mathrm{RX},i}^{*}=l_{\mathrm{TX},i}^{*}=l_{\mathrm{sys},i}^{*};$

S14、确定中继主动从中继接收数据包的最佳方式：从时刻n_i-1T_s起，中继的接收机以恒定功率向基站接收数据包，当数据量满足时，中继主动停止接收，并进入下一个时隙的工作；

S15、循环：对S11-S14进行循环，直至遍历完所有时隙；

S16、当循环结束，系统结束工作；并计算此时系统性能：转发的总数据量为 $B_{\mathrm{Tot}}^{*}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}{P}_{\mathrm{RX},j}^{*}(n_j-n_{j-1})T_s,$ 系统全局能效为 ${\mathrm{EE}}^{*}=B_{\mathrm{Tot}}^{*}/N_{i=0}^N{E}_i.$