CN104683117A - 一种能量采集点对点通信系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量采集点对点通信系统及其设计方法，该方法包括如下步骤：步骤1：引入一个能量源，在系统运作时给系统提供能量；步骤2：采用大规模分布式天线阵列的架构；步骤3：采用一种“采集-使用”的模式使得能量源向发送端供能；步骤4：对通信系统建模，引入拉格朗日函数，用最优化的方法求得最佳功率分配方案和信道情况的关系；步骤5：利用注水算法，计算出最佳功率分配方案。本发明利用最优化的方法和注水算法对系统模型进行分析，计算出了最优的功率分配方案，使得系统的容量得到了很大地提升。

Description

一种能量采集点对点通信系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信和能量采集技术领域，特别涉及一种能量采集方式的点对点通信系统。

背景技术

众所周知，传统的无线传感网络和嵌入式系统中所用的设备，大多是用电池来供电的。这种供电方式存在一个很大的问题：设备的寿命是有限的。当电池中的电量耗尽了以后，设备就不能再使用了。为了维持系统的运转，就只能不停的更换电池或者周期性地给电池充电。能量采集是一个很好的解决电量问题的方案。设备可以从各种能量源(比如：太阳能、震动能、风能等等)中获取能量，获得的能量可以供设备使用。因为能量源可以源源不断的提供能量，所以设备就不用担心电量耗尽的问题了。

能量采集技术，目前有三种工作模式：“采集-使用”模式，“采集-存储-使用”模式和“采集-使用-存储”模式。在“采集-使用”模式中，设备采集到的能量会直接被使用掉。在“采集-存储-使用”模式中，采集到的能量先被存储在电池中，然后再根据需要，取出来使用。而“采集-使用-存储”模式，则是让此刻接收到的能量先直接用于当前的消耗，如果有剩余，再存入电池中。现今的一些文献对“采集-存储-使用”模式和“采集-使用-存储”有许多研究，也将其应用在了很多不同的系统中。“采集-使用”模式，虽然不能存储能量，但是也有其使用的特定场合。

现有的点对点通信系统应用十分广泛，在无线传感网以及整个移动通信系统中，都有着广泛地使用，但是，点对点通信系统存在着能量的问题。目前很多技术都对通信协议以及工作模式进行研究，提出了很多降低能耗的方法，起到了延长节点寿命的作用。但是，上述的根本问题并没有得到解决。因此，需要找到一种特殊的供能方法，使得通信系统的能量问题得以解决。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术中点对点通信系统中的总能量有限的问题，提出了一种能量采集点对点通信系统的设计方法，该方法是基于“采集-使用”模式，该方法对硬件需求很少，节约了成本。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提出了一种能量采集点对点通信系统的设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：引入一个能量源，在系统运作时给系统提供能量。

在当发送端要传送数据给接收端的时，发送端先从能量源获取能量，再用这些能量来支持整个数据发送的工作。

步骤2：采用大规模分布式天线阵列的架构。

通信系统建立在大规模分布式天线阵列的架构之下，大规模分布式天线阵列是指在一个小区内有大量的天线(即：100到1000个远程天线单元)，这些天线单元分布在小区的各个地方。

步骤3：采用一种“采集-使用”模式使得能量源向发送端供能。

当系统工作在“采集-使用”模式时，发送端不能储存能量，所有接收到的能量都会立即用于数据的发送。存储能量的过程必定会带来能量的损失，而长时间不使用能量，电池中也会有一大部分的电量泄露。因此，在突发性业务场合中，采用能量存储设备往往会使能量的使用效率较低。另外，“采集-使用”模式的硬件需求和成本非常小。在系统工作时，由于硬件简单，消耗也会比另外两种模式少。

点对点通信是一种相对而言比较突发性的通信。这种通信不是一直进行的，而且每次通信的时间也不会太长。在这样的突发性业务中，“采集-使用”模式的优势得以体现。

步骤4：对通信系统建模，引入拉格朗日函数，用最优化的方法求得最佳功率分配方案和信道情况的关系。

在设计的系统模型中，引入了拉格朗日函数来进行分析，找出在“采集-使用”模式下的最佳功率分配方案和每个时刻信道参数以及时间分配系数的关系。

在本发明的通信系统中，每个时刻各个信道的情况都是随机的，且相互独立的。通信的过程中，一直有足够数据需要发送，不会出现有能量可以使用却没有数据需要发送的情况。通过对整个系统建模，可以得到系统容量的计算公式和一些相应的约束条件。本发明引入拉格朗日函数来对整个最优化问题进行分析，最终得到了最佳功率分配方案和每个时刻信道参数以及时间分配系数的关系。

步骤5：利用注水算法，计算出最佳功率分配方案。

根据上述步骤4对系统容量的分析，得出了最优的功率分配方案可以通过注水的方法，计算出唯一的解。利用注水方法，计算出最佳功率分配方案。

本发明还提出了一种能量采集点对点通信系统，该系统包括能量源、发送端和接收端。所述能量源主要是用于为点对点通信工作提供能量。所述发送端主要是用于接收能量，并用此能量发送数据。所述接收端主要是用于接收数据；所述的能量源是一个总能量受限的能量源。

有益效果：

1、本发明解决了点对点通信中的供能问题，使得系统的工作寿命大大延长，并且本发明能够节约硬件的成本。

2、本发明利用最优化的方法和注水算法对系统模型进行分析，找到了最优的功率分配方案，使得系统的容量得到了很大地提升。

3、本发明能够大大减小用户与天线单元的距离，从而能够降低能量传输的距离，进一步提高了能量的传输效率。

附图说明

图1为本发明的系统架构图。

图2为本发明系统帧结构的示意图。

图3为本发明的注水法示意图。

图4为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提出了一种能量采集点对点通信系统，该系统是由能量源、发送端和接收端组成。能量源是用于给点对点通信工作提供能量。发送端是用于接收能量，并用此能量发送数据。接收端是用于接收数据。

本发明的能量源是基站或是远程天线单元。本发明所用的能量源是一个总能量受限的能量源。在规定的有限时间内，其所能提供的能量最多为E。本发明考虑的每次的通信时间是有限的，每次只有N个时间单元，每个时间单元的长度为l。本发明在整个通信周期中，发送节点中有足够的数据需要发送，所以不需要考虑有能量可以使用但是没有数据需要发送的问题。本发明采用“采集-使用”的模式，发送端可以发送数据的能量功率可以表示为：P_h＝P·F·η。其中P表示能量源发送能量的功率，F表示信道衰落，η表示转化效率。另外，本发明假设在传输过程中，用于维持设备工作的电量消耗可以忽略不计，也就是说，所有的能量都可以用于数据的传输。F,H分别表示能量传输信道和数据传输信道的信道衰落系数。

在本发明的系统中，发送节点可以随时采集能量或者发送数据。但是，由于硬件条件的限制，两者是不可以同时进行的。所以，本发明在每个单位时间内，ω的时间是用于能量采集的，剩余的时间是用于数据传输的。

如图2所示，本发明在每个时间块中，用于能量采集的时间为ω·l，而数据传输的时间则可以表示为(1-ω)·l。

另外，接收到的信号可以表示为：y＝gx+n。其中，n是附加噪声。对于整个无线通信系统所受到的环境中的噪声，本发明将其定义为普遍的附加性的高斯白噪声。本发明假设系统所经历的这个高斯白噪声是均值为0且方差为1的噪声。

本发明假设能量源和发送节点之间的信道是视距信道。所以，两者之间的信道增益可以表示为：

F＝gr^-α

上述公式中，g表示小尺度快衰落系数，这个系数往往是用瑞利分布来表示。r_-α表示的是大尺度衰落的增益。由上述可知，发送节点在第i个时间块采集能量的功率可以表示为：

$\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{hi}}=P_i{g}_i{r}^{-\mathrm{\α}}& \∀i\∈\{\mathrm{1,2},...,N\}\end{array}$

由于发送节点接收到能量以后，在用这些能量发送数据以前，会有一个能量转化的过程，并不是接收到的所有能量都可以被发送节点所用，所以在第i个时间块可以用于数据发送的能量可以表示为：E_hi＝ωlηP_ig_ir^-α。因此，可以用于数据传输的功率可以表示为：

$\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{ti}}=\frac{E_{\mathrm{hi}}}{(1-\mathrm{\ω})l}=\frac{\mathrm{\ω}}{1-\mathrm{\ω}}\mathrm{\η}{P}_i{g}_i{r}^{-\mathrm{\α}}& \∀i\∈\{\mathrm{1,2},...,N\}\end{array}$

接着，本发明将数据传输信道考虑到整个系统性能中，假设发送节点和接收节点之间的大尺度衰落为一个定值ρ。另外，假设h是两个节点之间的小尺度快衰落增益(即：用瑞利分布表示)，两个信道之间的信道增益就可以表示为：

H＝ρh

对于整个系统的系能好坏，本发明是用系统容量来表示，根据上述的分析，本发明可以得到系统容量的表达式：

$C=\frac{l(1-\mathrm{\ω})}{2}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{\ω}}{1-\mathrm{\ω}}\mathrm{\η}{P}_i{g}_i{r}^{-\mathrm{\α}}\mathrm{\ρ}{h}_i)$

上述公式中，P_i表示第i个时间块中能量源向发送节点发送能量的功率，g_i和h_i表示能量传输信道和数据传输信道在第i个时间块的信道增益。

根据上述公式，本发明可以发现，整个系统的容量大小会随着每个时间块中的两个信道的小尺度衰落系数以及能量源中能量发送的功率分配方案有关。因此，本发明的目标就是根据不同的信道小尺度衰落指数，找到一种最优的能量分配方案，使得系统达到最大容量。也就是说，本发明的容量最大化问题可以用下面的几个公式来表示：

$\begin{array}{c}\underset{p_i\≥0}{\max }\frac{l(1-\mathrm{\ω})}{2}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{\ω}}{1-\mathrm{\ω}}\mathrm{\η}{P}_i{g}_i{r}^{-\mathrm{\α}}\mathrm{\ρ}{h}_i)\\ s.t.\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i\≤\frac{E}{l}\\ \begin{array}{cc}{P}_i\≥0& \∀i\∈\{\mathrm{1,2},...,N\}\end{array}\end{array}$

本发明可以看到，上述的目标函数是一个凸函数。另外，本发明的整个能量源可提供的能量是有限的，这就有一个上界。根据凸函数优化问题的理论，本发明的优化问题会有一个唯一的解。

本发明引入拉个朗日函数，取任意的λ≥0，可以得到

$L=\frac{l(1-\mathrm{\ω})}{2}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{\ω}}{1-\mathrm{\ω}}\mathrm{\η}{P}_i{g}_i{r}^{-\mathrm{\α}}\mathrm{\ρ}{h}_i)+\mathrm{\λ}(E-l\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i)$

其中，λ是和P_i有关的拉格朗日乘数因子。因此，优化问题的松弛条件可以表示为：

$\mathrm{\λ}(E-l\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i)=0$

根据上述所有的条件，本发明可以得到：

$\frac{\∂L}{{\∂P}_k}=\frac{l(1-\mathrm{\ω})}{2}\·\frac{1}{\ln 2}\·\frac{\frac{\mathrm{\ω}}{1-\mathrm{\ω}}\mathrm{\η}{g}_k{r}^{-\mathrm{\α}}\mathrm{\ρ}{h}_k}{1+\frac{\mathrm{\ω}}{1-\mathrm{\ω}}\mathrm{\η}{P}_k{g}_k{r}^{-\mathrm{\α}}\mathrm{\ρ}{h}_k}-\mathrm{\λl}$

关于最优功率分配，Kuhn Tucker条件可以表示为：

$\frac{\∂L}{{\∂P}_k}=\left\{\begin{array}{ccc}=0,& \mathrm{if}& P_k>0\\ \≤0,& \mathrm{if}& P_k=0\end{array}\right.$

这可以保证P_k≥0的条件得到满足。

由上述式子，本发明可以得到最优的功率分配方案：

$P_k^{*}={[\frac{(1-\mathrm{\ω})}{2\ln 2\·\mathrm{\λ}}-\frac{1-\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ω}}\·\frac{1}{\mathrm{\η}{g}_k{r}^{-\mathrm{\α}}\mathrm{\ρ}{h}_k}]}^{+}$

由上述公式可知，本发明最终的最优功率分配是看成一个注水线唯一的注水问题。

图3是一个简单的注水问题的例子。

功率分配的问题就可以看作是向管子里不停注水，直到达到水位线的过程。最优功率值就是每个时刻注入的水量。

本发明通过利用注水方法对整个系统模型进行设计。本发明实现了最佳的功率分配方案，并且这个解是唯一的解。

Claims (10)

1.一种能量采集点对点通信系统的设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：引入一个能量源，在系统运作时给系统提供能量；

步骤2：采用大规模分布式天线阵列的架构；

步骤3：采用一种“采集-使用”模式使得能量源向发送端供能；

步骤4：对通信系统建模，引入拉格朗日函数，用最优化的方法求得最佳功率分配方案和信道情况的关系；

步骤5：利用注水算法，计算出最佳功率分配方案。

2.根据权利要求1所述的一种能量采集点对点通信系统的设计方法，其特征在于，所述方法步骤1包括：在当发送端要传送数据给接收端的时，发送端先从能量源获取能量，再用这些能量来支持整个数据发送的工作。

3.根据权利要求1所述的一种能量采集点对点通信系统的设计方法，其特征在于，所述方法步骤2包括：所述的通信系统建立在大规模分布式天线阵列的架构之下；一个小区内有大量的天线，即：100到1000个远程天线单元。

4.根据权利要求1所述的一种能量采集点对点通信系统的设计方法，其特征在于，所述方法步骤3包括：系统是采用“采集-使用”模式，发送端不能储存能量，所有接收到的能量都会立即用于数据的发送。

5.根据权利要求1所述的一种能量采集点对点通信系统的设计方法，其特征在于，所述方法步骤4包括：在系统模型中引入了拉格朗日函数来进行分析，找出在“采集-使用”模式下的最佳功率分配方案和每个时刻信道参数以及时间分配系数的关系。

6.根据权利要求1所述的一种能量采集点对点通信系统的设计方法，其特征在于，所述方法步骤5包括：根据上述步骤4对系统容量的分析，利用注水法对系统容量进行分析和计算，并计算出唯一的解，找出最优的功率分配方案。

7.一种能量采集点对点通信系统，其特征在于，所述系统包括：能量源、发送端和接收端；所述的能量源是用于给点对点通信工作提供能量；所述的发送端是用于接收能量，并用此能量发送数据；所述的接收端是用于接收数据；所述的能量源是一个总能量受限的能量源。

8.根据权利要求7所述的一种能量采集点对点通信系统，其特征在于：所述的能量源是基站或是远程天线单元。

9.根据权利要求7所述的一种能量采集点对点通信系统，其特征在于：所述的发送节点能够随时采集能量或者发送数据。

10.根据权利要求7所述的一种能量采集点对点通信系统，其特征在于：所述系统的每个时刻各个信道的情况都是随机的，且相互独立。