CN105207684B - 采用环境能量供电的无线发射端发送装置及发送方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用环境能量供电的无线发射端发送装置，包括能量行为建模模块、发送控制决策模块、发送决策有效时长计时模块、环境能量收集模块、能量收集预测模块、能量控制模块、储能模块、数据包缓存模块、无线发射端模块；其中，所述储能模块包括超级电容及电池。

Description

采用环境能量供电的无线发射端发送装置及发送方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及采用环境能量供电的无线发射端发送装置及发送方法。

背景技术

无论是对于诸如蜂窝网络、数据中心、宏基站等大型的通信系统及网络，还是如无线传感器、移动终端、家庭基站等小型通信设备，节能降耗一直是信息通信领域发展的重要主题，其重要性仍在不断提升。近年来，基于环境能量收集供电的无线通信技术及设备由于其独特的优势受到了广泛的关注。

环境能量收集方式为部署环境无法或难以接入稳定的电力供应的无线通信系统及设备(如偏远地区的基站，或者大量部署于建筑楼体内部的无线传感器，或者随时处于移动状态的移动终端等)提供了理论上的永久性能量来源，减低了建设、维护成本。因此，学术界与工业界都对基于环境能量收集供电的无线通信系统及设备投入了大量的研发精力。

由于环境能量存在波动性与间歇性，考虑环境能量的输入、存储、无线信道状态以及无线用户需求下的无线发射端发送方法成为保证基于环境能量收集的无线通信系统性能的关键，其包含了发射功率控制、发送数据包调度、频谱资源调度等。目前，相关领域技术人员与学者对这方面进行了大量的研究。如参考文献1《Kansal,Aman,et al."Powermanagement in energy harvesting sensor networks."ACM Transactions on EmbeddedComputing Systems(TECS),vol.6,no.4,2007,pp.32》与参考文献2《Gorlatova,Maria,AyaWallwater,and Gil Zussman."Networking low-power energy harvesting devices:Measurements and algorithms,"Mobile Computing,IEEE Transactions on,vol.12,no.9,2013,pp.1853-1865》中所披露的。

目前，现有研究工作在系统设计中均采用一个有限长或无限长的单队列来构造能耗负载(即无线发射端部分)之前的能量行为模型，并假设单队列的输入/输出(即储能部分的充电/放电)可根据能量收集部分的能量到达以及无线传输部分的能耗任意变化。

在参考文献3《Ongaro,Fabio,Stefano Saggini,and Paolo Mattavelli."Li-ionbattery-supercapacitor hybrid storage system for a long lifetime,photovoltaic-based wireless sensor network."Power Electronics,IEEETransactions on 27.9(2012):3944-3952》所披露的实际系统中，为了使系统的储能部分能够近似上述假设，往往同时采用超级电容与储能电池并存的混合储能系统，利用超级电容支撑快速的充放电变化，利用储能电池实现大容量长时间的储能。这种情况下，由于超级电容与电池充放电的充放电特性不同，并需采用特定的联合管理机制进行能量分布与状态管理，这使得单队列的模型无法有效反映实际系统中管理机制以及能量的内部流动与分布，导致以该模型输出为决策依据的发送方案的实际性能下降。

因此，如何实现能耗负载之前的能量行为的动态建模，达到分辨系统内部能量流动与分布，有效反映超级电容与电池在系统运行过程的充放电状态及其管理机制的机制，并以此模型的输出为决策依据进行相适应的无线发射端发送方案控制是环境能量供电的无线通信系统发展中的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的环境能量供电的无线通信系统由于无法有效反映超级电容与电池间能量的流动与分布而导致的发送方案实际性能降低的问题，从而提供一种性能较高的无线发射端发送装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种采用环境能量供电的无线发射端发送装置，包括能量行为建模模块、发送控制决策模块、发送决策有效时长计时模块、环境能量收集模块、能量收集预测模块、能量控制模块、储能模块、数据包缓存模块、无线发射端模块；其中，所述储能模块包括超级电容及电池；

所述环境能量收集模块在能量控制模块的控制下收集环境能量，并将所收集的环境能量存储到所述储能模块中；所述储能模块向装置中的其他模块提供电能；所述能量收集预测模块预测未来一段时间所能收集的能量的变化情况；所述数据包缓存模块缓存到达的用户数据包并对用户数据包的到达时间进行预测；所述能量行为建模模块实现对能量控制模块控制下形成的能量行为进行建模；所述发送控制决策模块根据能量行为建模模块所输出的能量行为模型、能量收集预测模块输出的能量收集信息、数据包缓存模块输出的用户数据包信息以及无线发射端模块输出的无线信道状态信息，做出包括各时隙数据包调度、发送功率控制、数据包频谱信道分配的发送方案控制决策，并更新发送方案控制决策的有效时长；所述发送决策有效时长计时模块检查当前时隙是否超过所述发送控制决策模块前一次做出的发送方案控制决策的有效时长，若是，由所述能量行为建模模块重新建模、由所述发送控制决策模块重新进行决策，否则通知无线发射端模块按照上一次的发送方案控制决策执行数据包的发送；所述无线发射端模块用于将用户数据包的数据由无线空口发送给用户，还能预测未来一定时间内无线信道状态变化情况。

上述技术方案中，所述能量行为建模模块依据所述能量控制模块所建立的能量控制规则建立传输时隙i时整个能量控制机制的状态机模型；然后根据所建立的状态机模型，抽取整合各独立状态，导出相应代数来表示相应的能量行为模型；其中的能量控制规则用于控制所述环境能量收集模块的激活与休眠，以及控制所述储能模块中超级电容与电池的充放电状态。

上述技术方案中，所述发送控制决策模块采用如下方式生成发送方案控制决策：

首先结合所述能量行为建模模块所输出的能量行为模型建立控制准则；

接着根据数据包缓存模块中的数据包缓存信息与数据包到达预测信息确定或更新发送方案控制决策的有效时长；

然后由所述有效时长确定调度数据包的集合；

再接着，将所述有效时长划分为两层时序结构，基于该时序结构，结合当前电池电压与能量控制模块所采用的能量控制规则，确定当前发送方案决策的有效时长内可选电池充放电次序方案的集合；

为所述可选电池充放电次序方案的集合中的某一方案所对应的有效时长内各时隙中可发送的数据包进行频谱单元信道分配；

基于所述数据包频谱单元信道分配方案以及对应的电池充放电次序方案，确定各数据包在各时隙是否存在可行的发送功率方案；若存在可行的发送功率方案，则当前电池充放电次序方案及相应的数据包频谱单元信道分配、数据包发送功率控制方案为所述发送方案控制决策；否则从所述可选电池充放电次序方案的集合中选取另一电池充放电次序方案，然后重新进行频谱单元信道分配以及发送功率方案是否可行的判断，直至得到发送方案控制决策。

上述技术方案中，所述根据数据包缓存模块中的数据包缓存信息与数据包到达预测信息确定或更新发送方案控制决策的有效时长包括：

根据数据包到达预测信息，得到在i₀+T_P时间段内即将到达的数据包；其中i₀为当前时隙，T_P为能量收集状态、无线信道状态、数据包到达的确切时间、数据包的大小与时延要求均已知的未来一段时间的长度；

根据数据包的时延要求，将已缓存的数据包及在i₀+T_P时间段内即将到达的数据包按照其所需发送完毕的截止期限按照从小到大加以排列；

从所述已缓存数据包及在i₀+T_P时间段内即将到达的数据包中选取截止期限在i₀+T_P的数据包；

搜索在截止期限后一段时间内无数据包剩余且无数据包到达的数据包，将这些数据包的集合设为Φ，当以最近的无数据包发送时间点为有效时长的截止时间；否则，以i₀+T_P时间段内所涉及的最后的数据包的截止时间为有效时长的截止时间。

上述技术方案中，所述有效时长的两层时序结构包括：下层结构，所述下层结构中的基本时间单位为系统调度时隙；上层结构，所述上层结构中的基本时间单位为电池充放电状态变化单位区间，所述的电池充放电状态变化单位区间包括多个系统调度时隙。

上述技术方案中，所述确定当前发送方案决策的有效时长内可选电池充放电次序方案的集合包括：

设当前策略有效时长内的电池充放电区间总数为K，第k个区间的充放电状态由0,1变量y_k标识，y_k＝1表示区间k中电池充电，y_k＝0表示区间k中电池放电，令第j种充放电次序方案表示为

当满足下述条件时，充放电次序方案j为可选的：

当时，当其他，任意；其中，表示当前时隙的电池电压，为电池放电深度门限，当电池电压低于时，电池不再进行放电，当电池电压高于时，电池不再进行充电；

当时，当其他，任意；其中表示方案j区间k结束时电池的电压，由下式给出：

其中的为电池恒流充电时，电池电压对于电流的斜率，为电池恒流放电时，电池电压对于电流的斜率；τ_k为有效时长的上层结构的第k个电池充放电状态区间的长度，为电池的充电电流，为电池的放电电流；

将所得到的可选的电池充放电次序方案形成集合Ψ，将该集合中的各次序方案按照在有效时长结束后的电池电压由大到小进行排列。

上述技术方案中，所述可行的发送功率方案应当满足：

a、每个数据包必须在其发送截止时间内发送完毕；

b、在电池充电区间内任意时刻不出现能量溢出，且超级电容存储能量始终大于超级电容门限值

c、在电池放电区间内任意时刻不出现功能不足，且超级电容存储能量始终不大于

本发明还提供了基于所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置所实现的发射方法，包括：

步骤1)、系统初始化；

步骤2)、所述能量控制模块根据环境能量收集模块所收集的环境能量、负载的能耗状况、储能模块中的超级电容与电池状态的状态，控制环境能量收集模块的激活与休眠、超级电容与电池的充放电状态；

步骤3)、判断当前时隙是否超过上一次发送方案控制决策的有效时长内，如果没有超过，执行步骤6)，如果已经超过，执行下一步；

步骤4)、能量行为建模模块为能量控制模块所采用的控制规则建立模型，进而依据当前收集能量输入、超级电池及电池状态，在每个系统传输时隙i对超级电容及电池的充放电状态、能量流动状态以及趋势进行模型化输出；

步骤5)、发送控制决策模块根据能量收集状态预测信息、无线信道状态预测信息、数据包缓存信息以及能量行为建模模块的输出信息进行发送方案的动态控制以做出相应的发送方案控制决策，所述发送方案控制决策包括：确定发送方案控制准则、确定或更新发送方案有效时长、数据包调度、建立发送方案调度时序层次、确定电池预期充放电次序、确定有效时长内各时隙数据包信道分配及数据包发送功率；

步骤6)、无线发射端模块根据发送方案控制决策，在决策有效时长内采用相应发送方案进行数据包发送。

本发明的优点在于：

1、本发明能够有效反映超级电容与电池间的能量流动与能量控制机制；

2、本发明能够充分考虑电池充放电特性与响应时间，提高电池循环寿命；

3、本发明能够从数据包时延、大小等多个方面保证业务质量需求。

附图说明

图1是本发明的采用环境能量供电的无线发射端发送装置的结构示意图；

图2是本发明的方法的流程图；

图3是本发明的采用环境能量供电的无线发射端发送装置中的能量行为建模模块的建模流程图；

图4是本发明的采用环境能量供电的无线发射端发送装置中的能量行为建模模块依据能量控制规则所建立的状态机模型的示意图；

图5是本发明的采用环境能量供电的无线发射端发送装置中的发送控制决策模块做发送控制决策的流程图；

图6是有序时长的两层时序结构的示意图。

图面说明

101 能量行为建模模块 102 发送控制决策模块

103 发送决策有效时长计时模块 104 环境能量收集模块

105 能量收集预测模块 106 能量控制模块

107 储能模块 108 数据包缓存模块

109 无线发射端模块

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明中所涉及的环境能量可以是太阳能、风能、电磁感应能量、电磁共振能量、无线电波能量、震动机械能等，本发明的装置收集这些环境能量中的一种或多种，以向无线发射端供电。本发明的装置可服务的无线发射端的类型包括：无线传感器、小型基站、中继、移动终端等。

图1为本发明的装置在一个实施例中的示意图，如图所示，该装置包括：能量行为建模模块101、发送控制决策模块102、发送决策有效时长计时模块103、环境能量收集模块104、能量收集预测模块105、能量控制模块106、储能模块107、数据包缓存模块108、无线发射端模块109；其中，所述储能模块107包括超级电容及电池(或电池组)；

所述环境能量收集模块104在能量控制模块106的控制下收集环境能量，并将所收集的环境能量存储到所述储能模块107中；所述储能模块107向装置中的其他模块提供电能；所述能量收集预测模块105预测未来特定一段时间可收集能量的变化情况；所述数据包缓存模块108缓存到达的用户数据包并对用户数据包的到达时间进行预测；所述能量行为建模模块101实现对能量控制模块106控制下形成的能量行为进行建模；所述发送控制决策模块102根据能量行为建模模块101所输出的能量行为模型、能量收集预测模块105输出的能量收集信息、数据包缓存模块108输出的用户数据包信息以及无线发射端模块109输出的无线信道状态信息，做出关于各时隙数据包调度、发送功率控制、数据包频谱信道分配的发送方案控制决策(简称发送决策)，并更新发送方案控制决策的有效时长；所述发送决策有效时长计时模块103检查当前时隙是否超过所述发送控制决策模块102前一次做出的发送方案控制决策的有效时长，若是，由能量行为建模模块101重新建模、由发送控制决策模块102重新进行决策，否则通知无线发射端模块109直接按照上一次决策执行数据包的发送；所述无线发射端模块109用于将用户数据包的数据由无线空口发送给用户，还能预测未来一定时间内无线信道状态变化情况。

下面对本发明装置中各个模块的具体实现做进一步的说明。

所述环境能量收集模块104可采用现有技术中的环境能量收集设备实现，如采用光伏板收集太阳能；该模块应当包含有输出控制的单元，如光伏系统的MPPT控制。

所述能量收集预测模块105在预测未来特定一段时间可收集能量的变化情况时，首先采集之前一段时间内能量收集功率的历史测量值，然后利用相关的预测方法预测未来一段时间内可收集能量的变化情况。所述相关预测方法可采用现有技术中的预测方法，如卡尔曼滤波预测方法或神经网络方法。

所述数据包缓存模块108在对用户数据包的到达时间进行预测时，采集之前的数据包到达时间测量值，然后利用相关的预测方法预测未来若干个用户数据包的到达时间。所述预测方法可采用现有技术中的预测方法，如卡尔曼滤波预测方法或神经网络方法。

所述无线发射端模块109在预测未来一定时间内无线信道状态变化情况时，首先收集之前一段时间内无线信道状态的历史测量值，然后利用相关的预测方法预测无线信道状态的变化情况。所述预测方法可采用现有技术中的预测方法，如卡尔曼滤波预测方法或神经网络方法。无线发射端模块109所涉及的参数包括：系统发送时隙长度τ₁，频谱单元信道带宽B，频带单元信道总数N，最大总发射功率P_max。

所述能量控制模块106根据环境能量收集模块104所收集的环境能量、负载的能耗状况、储能模块107中的超级电容与电池状态的状态，控制环境能量收集模块104的激活与休眠、超级电容与电池的充放电状态。

能量控制模块106在实现控制时，涉及下列参数：控制电池充放电转换的超级电容能量门限电池充放电深度电压门限与电池充放电电流与能量控制模块106基于这些参数，采用如下的控制规则对超级电容与电池的充放电状态进行联合控制：

(1)、为保证电池循环寿命，设置电池充放电深度门限电压与即当电池电压低于时，电池不再进行放电，而当电池电压高于时，电池不再进行充电；

(2)、为维持电池性能，采用恒流充放电方式，充放电电流分别为与结合电池充放电深度门限设置，使电池始终处于恒流快充与快放阶段，此时电池电压的上升与下降与时间呈近似线性关系；

(3)、当超级电容存储容量低于门限值且能量收集输入功率P_EH大于无线发射端负载消耗功率P_L时，即P_EH≥P_L，收集的能量与消耗的能量之差将储存进超级电容，同时：

(3-1)、当电池电压大于放电深度门限时，电池放电，放出的能量存入超级电容；

(3-2)、当电池电压小于放电深度门限时，电池进入休眠状态；

(4)、当超级电容存储容量低于门限值且能量收集输入功率小于负载消耗功率时，即P_EH<P_L，则有：

(4-1)、当电池电压大于放电深度门限时，且电池放电功率(由电池放电电流及电池当前电压决定)与能量收集输入功率之和大于负载消耗功率时，电池放电，放出的能量加上收集输入的能量与负载消耗的能量之差存入超级电容；

(4-2)、否则，系统无法正常供电，无线发射端模块109关闭；

(5)、当超级电容存储容量高于门限值且能量收集输入功率大于负载消耗功率时，则：

(5-1)、当电池电压小于充电深度门限时，电池充电，超级电容充放电状态由收集能量输入减去负载消耗能量后与电池充电所需能量的大小关系决定；

(5-2)、当电池电压大于充电深度门限时，电池休眠，收集能量输入与负载消耗能量之差存入超级电容，直至超级电容充满，则关闭环境能量收集模块104；

(6)、当超级电容存储容量高于门限值且能量收集输入功率小于负载消耗功率时，则：

(6-1)、当电池电压小于充电深度门限时，电池充电，超级电容放电，放出的能量与能量收集输入一起满足电池充电及负载消耗所需能量；

(6-2)、当电池电压大于充电深度门限时，电池休眠，超级电容放电，放出的能量与能量收集输入一起满足负载消耗所需能量。

能量控制模块106基于上述规则生成用于对储能模块107中的超级电容与电池的充放电进行控制的命令，以及对无线发射端模块109和环境能量收集模块104的控制命令。

所述能量行为建模模块101实现了有效反映超级电容与电池的能量控制机制和能量流动的模型化描述。能量行为建模模块101为能量控制模块106所采用的控制规则建立模型，进而依据当前收集能量输入、超级电池及电池状态，在每个系统传输时隙i对超级电容及电池的充放电状态、能量流动状态以及趋势进行模型化输出，从而为发送控制决策模块102制定发送方案控制决策提供依据。

参考图3，所述能量行为建模模块101首先需要为能量控制规则建立传输时隙i时整个能量控制机制的状态机模型；然后根据所建立的状态机模型，抽取整合各独立状态，导出相应代数来表示状态机模型。

图4为能量行为建模模块101依据能量控制规则所建立的状态机模型的示意图，该状态机模型反映了各种状态间的变化情况。在该状态机模型中，非功率变量的下标i代表该变量在传输时隙i起始时的取值，功率变量下标i表示传输时隙i期间该变量的取值，表示超级电容在传输时隙i起始时已存储的能量，表示电池在传输时隙i起始时的电压，E^S为超级电容所能存储的最大能量。

能量行为建模模块101所导出的用于表示状态机模型中各独立状态的代数表示如下：

(a)、

其中为电池恒流放电时，电池电压对于电流的斜率；

(b)、

(c)、

(d)、

其中为电池恒流充电时，电池电压对于电流的斜率；

(e)、

(f)、

能量行为建模模块101将上述各状态的代数表示模型输出到发送控制决策模块102，为发送方案控制提供依据。

发送控制决策模块102所做出的决策包括多个方面，如确定发送方案控制准则、确定或更新发送方案有效时长、数据包调度、建立发送方案调度时序层次、确定电池预期充放电次序、确定有效时长内各时隙数据包信道分配及数据包发送功率。图5为发送控制决策模块102做发送控制决策的流程，其包括下列步骤：

步骤5-1、结合能量行为建模模块101所输出的能量行为模型，建立如下控制准则：

(A)在满足数据包发送时延要求情况下，以最大化每个控制决策有效时长结束后电池中所存储能量(或电池电压)为目标；

(B)在有数据包需要传输时，发送方案应能保证无线发射端始终处于工作状态，不会出现由于供能不足导致发射端非正常关闭的情况；

(C)在有数据包传输时，发送方案应能保证没有任何能量溢出，即不会出现由于能量收集输入过大导致能量收集输入端非正常关闭；

(D)充分考虑电池的响应速度，避免电池频繁的充放电状态转换；

(E)每个数据包对应分配一个无线频谱信道，数据包可并行传输，当所有无线频谱信道全部分配完时，剩余数据包将暂时缓存；

(F)每个数据包需在其时延要求的时限前发送完毕；

(G)通过能量收集状态预测、无线信道状态预测、数据包缓存信息以及数据包到达预测，在发送方案控制决策时间点时，系统已知未来一段时间内的能量收集状态、无线信道状态以及数据包到达的确切时间及数据包的大小与时延要求。该时间段长度表示为T_P。

步骤5-2、依据数据包缓存模块108中的数据包缓存信息(主要用到数据包的时延要求，即各数据包必须发送完毕的截止期限)及数据包到达预测信息，确定或更新发送方案控制决策的有效时长。包括：

步骤5-2-1、令当前时隙为i₀，数据包缓存模块108中已缓存且未被调度发送的数据包数目为M_old，根据数据包到达预测信息，已知i₀+T_P时间段内到达数据包的数目为M_new；

步骤5-2-2、根据数据包的时延要求，将已缓存及即将到达的数据包按照其所需发送完毕的截止期限按照从小到大排列，令排列完毕后的数据包索引为m,m＝1,2,...,M_old+M_new，各数据包所需发送完毕的截止期限为相应到达时间计为其中 为数据包m的实际到达时间(即将当前已缓冲的数据包的到达时间计为当前时隙i₀)；

步骤5-2-3、当前发送方案控制决策只涉及i₀+T_P时间段内截止的数据包，计算所涉及数据包范围M_th满足且1≤M_th≤M_old+M_new；

搜索在截止时限后一段时间不存在任何数据包需要发送(即在该段时间内无数据包剩余且无数据包到达)的数据包，设其集合为Φ，则有

步骤5-2-4、当前发送方案控制决策的有效时长由如下方法确定：

当即以最近的无数据包发送时间点为有效时长截止时间；

否则，即以i₀+T_P时间段内所涉及的最后的数据包的截止时间为有效时长截止时间。

步骤5-3、在确定发送方案的有效时长后，由有效时长可确定调度数据包的集合：

当调度数据包集合为Ω＝{1,2,...,min(m∈Φ)}；

否则，调度数据包集合为Ω＝{1,2,...,M_th}。

步骤5-4、为了兼顾电池响应速度，避免频繁充放电带来的电池寿命的损失，将步骤5-2所建立的有效时长划分为两层时序结构。

图6为所述两层时序结构的示意图，其中，下层结构中的基本时间单位为系统调度时隙，长度为τ₁；上层结构中的基本时间单位由数个系统调度时隙组成，为电池充放电状态变化的单位区间，即在每个区间内，根据能量控制规则通过发送方案控制(并非直接控制电池)保证电池始终处于充电状态或放电状态，而在区间之间电池充放电状态才会发生转换。图6中，上层结构的第k个电池充放电状态区间的长度为τ_k，不同区间的长度可以不同也可以相同，可根据有效时长电池特性、电池保护等进行动态调整。

步骤5-5、基于步骤5-4中所划分的时序结构，结合当前电池电压与能量控制模块106所采用的能量控制规则，确定当前发送方案决策的有效时长内可选的电池充放电次序方案集合。具体如下：

步骤5-5-1、设当前策略有效时长内的电池充放电区间总数为K，第k个区间的充放电状态由0,1变量y_k标识，y_k＝1表示区间k中电池充电，y_k＝0表示区间k中电池放电，令第j种充放电次序方案表示为

步骤5-5-2、当满足下述条件时充放电次序方案j为可选的：

当时，当其他，任意；

当时，当其他，任意；其中表示方案j区间k结束时电池的电压，由下式给出

步骤5-5-3、将步骤5-5-2所得到的可选的电池充放电次序方案形成集合Ψ，将该集合中的各次序方案按照在有效时长结束后的电池电压由大到小进行排列，排列完成后的Ψ表示为Ψ＝{1,2,...,j′,...,|Ψ}，有

步骤5-6、依顺序选取集合Ψ中的一个之前未曾选取的电池充放电次序方案，为当前电池充放电次序方案所对应的有效时长内各时隙中可发送的数据包进行频谱单元信道分配；频谱单元信道分配准则为：

a、每个数据包在同一时隙中只被分配一个频谱单元信道；

b、在区间k中时隙i将频谱单元信道n分配给数据包m的依据为：

其中Ω_i,k为在区间k中时隙i时还未被分配信道的数据包集合；为区间k中时隙i时、频谱单元信道n在数据包m上的信道增益(即无线发射端模块109预测得到的无线信道状态的预测值)；为区间k中时隙i时数据包m已被分配过的信道数，若未被分配到过信道，则为远小于1的一个正数；数据包m应满足：

即该数据包当前时刻是可发送的。

步骤5-7、基于步骤5-6中确定的数据包频谱单元信道分配方案，针对当前检查的充放电次序方案j确定各数据包在各时隙是否存在可行的发送功率方案。

令数据包m在区间k、时隙i的发送功率为在其分配的相应信道上的信道增益为则可行的发送功率方案应当满足：

a、每个数据包必须在其发送截止时间内发送完毕，即：

其中C_m为数据包m的大小，与分别为包含数据包起始与截止时间及的区间，及分别指向起始与截止时隙，为数据包m在下获得的传输速率，由下式给出：

b、在电池充电区间内任意时刻不出现能量溢出，且超级电容存储能量始终大于即在任意充电区间k_c，有：

其中为区间k_c起始时刻超级电容已存储的能量，可以通过区间k_c前各时刻流入和流出超级电容的能量计算，为区间k_c时隙i时能量收集功率(即能量收集预测模块105所预测的能量收集状态)，为区间k_c中电池的平均电压；

c、在电池放电区间内任意时刻不出现功能不足，且超级电容存储能量始终不大于即在任意放电区间k_d，有：

步骤5-8、若当前充放电次序方案j存在可行的发送功率方案，则当前充放电次序方案及相应的数据包频谱单元信道分配、数据包发送功率控制方案为当前最优策略(因为在步骤5-5中是按照有效时长结束时电池的电压由大到小的顺序进行检查的)，输出包括有充放电次序方案、数据包频谱单元信道分配方案、数据包发送功率控制方案在内的发送方案控制决策；否则回到步骤5-6，直至得到可行的最优发送方案控制决策。

由于发送控制决策模块102并不是在每个传输时隙都执行发送方案的控制决策，而是根据数据包缓存状态信息(包括数据包的时延要求、数据包大小)以及数据包到达预测信息，选择合适的相间隔的时隙进行决策，每一次决策都是基于能量收集状态及无线信道状态的预测信息，对未来一段时间段内的发送方案进行规划。因此，每一次发送方案的控制决策均具有一定的有效时长，若发送决策有效时长计时模块103发现当前时隙仍属于上一次发送方案控制决策的有效时长内，则通知无线发射端模块109直接按照上一次决策进行数据包发送，若上一次发送方案控制决策的有效时长结束，则需重新做能量行为建模与发送方案控制决策，并更新有效时长。

参考图2，基于本发明的装置所实现的无线信号发射方法包括：

步骤1)、系统初始化；

在这一步骤中，为装置中的各个模块加载对应的控制软件，并初始化模块中的参数，如能量控制模块106的参数、无线发射端模块109的参数等。

步骤2)、所述能量控制模块106根据环境能量收集模块104所收集的环境能量、负载的能耗状况、储能模块107中的超级电容与电池状态的状态，控制环境能量收集模块104的激活与休眠、超级电容与电池的充放电状态。

所述能量控制模块106实现相关控制的过程在之前对能量控制模块106的描述中已经有详细的说明，此处不再重复。

步骤3)、判断当前时隙是否超过上一次发送方案控制决策的有效时长内，如果没有超过，执行步骤6)，如果已经超过(即上一次发送方案控制决策的有效时长已经结束)，执行下一步。

步骤4)、能量行为建模模块101为能量控制模块106所采用的控制规则建立模型，进而依据当前收集能量输入、超级电池及电池状态，在每个系统传输时隙i对超级电容及电池的充放电状态、能量流动状态以及趋势进行模型化输出。

能量行为建模模块101建立能量行为模型的过程在之前对能量行为建模模块101的描述中已经有详细的描述，因此此处不再重复。

步骤5)、发送控制决策模块102根据能量收集状态预测信息、无线信道状态预测信息、数据包缓存信息以及能量行为建模模块101的输出信息进行发送方案的动态控制以做出相应的决策，所做出的决策包括多个方面，如确定发送方案控制准则、确定或更新发送方案有效时长、数据包调度、建立发送方案调度时序层次、确定电池预期充放电次序、确定有效时长内各时隙数据包信道分配及数据包发送功率。

发送控制决策模块102如何做决策的过程在之前对发送控制决策模块102的描述中已经有详细的说明，因此此处不再重复。

步骤6)、无线发射端模块109根据发送方案控制决策，在决策有效时长内采用相应发送方案进行数据包发送。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，包括能量行为建模模块(101)、发送控制决策模块(102)、发送决策有效时长计时模块(103)、环境能量收集模块(104)、能量收集预测模块(105)、能量控制模块(106)、储能模块(107)、数据包缓存模块(108)、无线发射端模块(109)；其中，所述储能模块(107)包括超级电容及电池；

所述环境能量收集模块(104)在能量控制模块(106)的控制下收集环境能量，并将所收集的环境能量存储到所述储能模块(107)中；所述储能模块(107)向装置中的其他模块提供电能；所述能量收集预测模块(105)预测未来一段时间所能收集的能量的变化情况；所述数据包缓存模块(108)缓存到达的用户数据包并对用户数据包的到达时间进行预测；所述能量行为建模模块(101)实现对能量控制模块(106)控制下形成的能量行为进行建模；所述发送控制决策模块(102)根据能量行为建模模块(101)所输出的能量行为模型、能量收集预测模块(105)输出的能量收集信息、数据包缓存模块(108)输出的用户数据包信息以及无线发射端模块(109)输出的无线信道状态信息，做出包括各时隙数据包调度、发送功率控制、数据包频谱信道分配的发送方案控制决策，并更新发送方案控制决策的有效时长；所述发送决策有效时长计时模块(103)检查当前时隙是否超过所述发送控制决策模块(102)前一次做出的发送方案控制决策的有效时长，若是，由所述能量行为建模模块(101)重新建模、由所述发送控制决策模块(102)重新进行决策，否则通知无线发射端模块(109)按照上一次的发送方案控制决策执行数据包的发送；所述无线发射端模块(109)用于将用户数据包的数据由无线空口发送给用户，还能预测未来一定时间内无线信道状态变化情况。

2.根据权利要求1所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，所述能量行为建模模块(101)依据所述能量控制模块(106)所建立的能量控制规则建立传输时隙i时整个能量控制机制的状态机模型；然后根据所建立的状态机模型，抽取整合各独立状态，导出相应代数来表示相应的能量行为模型；其中的能量控制规则用于控制所述环境能量收集模块(104)的激活与休眠，以及控制所述储能模块(107)中超级电容与电池的充放电状态。

3.根据权利要求1所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，所述发送控制决策模块(102)采用如下方式生成发送方案控制决策：

首先结合所述能量行为建模模块(101)所输出的能量行为模型建立控制准则；

接着根据数据包缓存模块(108)中的数据包缓存信息与数据包到达预测信息确定或更新发送方案控制决策的有效时长；

然后由所述有效时长确定调度数据包的集合；

再接着，将所述有效时长划分为两层时序结构，基于该时序结构，结合当前电池电压与能量控制模块(106)所采用的能量控制规则，确定当前发送方案决策的有效时长内可选电池充放电次序方案的集合；

为所述可选电池充放电次序方案的集合中的某一方案所对应的有效时长内各时隙中可发送的数据包进行频谱单元信道分配；

基于所述数据包频谱单元信道分配方案以及对应的电池充放电次序方案，确定各数据包在各时隙是否存在可行的发送功率方案；若存在可行的发送功率方案，则当前电池充放电次序方案及相应的数据包频谱单元信道分配、数据包发送功率控制方案为所述发送方案控制决策；否则从所述可选电池充放电次序方案的集合中选取另一电池充放电次序方案，然后重新进行频谱单元信道分配以及发送功率方案是否可行的判断，直至得到发送方案控制决策。

4.根据权利要求3所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，所述根据数据包缓存模块(108)中的数据包缓存信息与数据包到达预测信息确定或更新发送方案控制决策的有效时长包括：

根据数据包到达预测信息，得到在i₀+T_P时间段内即将到达的数据包；其中i₀为当前时隙，T_P为能量收集状态、无线信道状态、数据包到达的确切时间、数据包的大小与时延要求均已知的未来一段时间的长度；

根据数据包的时延要求，将已缓存的数据包及在i₀+T_P时间段内即将到达的数据包按照其所需发送完毕的截止期限按照从小到大加以排列；

从所述已缓存数据包及在i₀+T_P时间段内即将到达的数据包中选取截止期限在i₀+T_P的数据包；

搜索在截止期限后一段时间内无数据包剩余且无数据包到达的数据包，将这些数据包的集合设为Φ，当以最近的无数据包发送时间点为有效时长的截止时间；否则，以i₀+T_P时间段内所涉及的最后的数据包的截止时间为有效时长的截止时间。

5.根据权利要求3所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，所述有效时长的两层时序结构包括：下层结构，所述下层结构中的基本时间单位为系统调度时隙；上层结构，所述上层结构中的基本时间单位为电池充放电状态变化单位区间，所述的电池充放电状态变化单位区间包括多个系统调度时隙。

6.根据权利要求5所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，所述确定当前发送方案决策的有效时长内可选电池充放电次序方案的集合包括：

设当前策略有效时长内的电池充放电区间总数为K，第k个区间的充放电状态由0,1变量y_k标识，y_k＝1表示区间k中电池充电，y_k＝0表示区间k中电池放电，令第j种充放电次序方案表示为

当满足下述条件时，充放电次序方案j为可选的：

当时，当其他，任意；其中，表示当前时隙的电池电压，为电池充电深度门限，为电池放电深度门限，当电池电压低于时，电池不再进行放电，当电池电压高于时，电池不再进行充电；

当时，当其他，任意；其中表示方案j区间k结束时电池的电压，由下式给出：

<mrow> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>k</mi> <mi>B</mi> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>U</mi> <msub> <mi>i</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>B</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>k</mi> </msubsup> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msubsup> <mi>y</mi> <mi>l</mi> <mi>j</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>c</mi> <mi>B</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>c</mi> <mi>B</mi> </msubsup> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>y</mi> <mi>l</mi> <mi>j</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>y</mi> <mi>l</mi> <mi>j</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>d</mi> <mi>B</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>d</mi> <mi>B</mi> </msubsup> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>;</mo> </mrow>

其中的为电池恒流充电时，电池电压对于电流的斜率，为电池恒流放电时，电池电压对于电流的斜率；τ_k为有效时长的上层结构的第k个电池充放电状态区间的长度，为电池的充电电流，为电池的放电电流；

将所得到的可选的电池充放电次序方案形成集合Ψ，将该集合中的各次序方案按照在有效时长结束后的电池电压由大到小进行排列。

7.根据权利要求3所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置，其特征在于，所述可行的发送功率方案应当满足：

a、每个数据包必须在其发送截止时间内发送完毕；

b、在电池充电区间内任意时刻不出现能量溢出，且超级电容存储能量始终大于超级电容门限值

c、在电池放电区间内任意时刻不出现功能不足，且超级电容存储能量始终不大于

8.一种基于权利要求1-7之一所述的采用环境能量供电的无线发射端发送装置所实现的发射方法，包括：

步骤1)、系统初始化；

步骤2)、所述能量控制模块(106)根据环境能量收集模块(104)所收集的环境能量、负载的能耗状况、储能模块(107)中的超级电容与电池状态的状态，控制环境能量收集模块(104)的激活与休眠、超级电容与电池的充放电状态；

步骤3)、判断当前时隙是否超过上一次发送方案控制决策的有效时长内，如果没有超过，执行步骤6)，如果已经超过，执行下一步；

步骤4)、能量行为建模模块(101)为能量控制模块(106)所采用的控制规则建立模型，进而依据当前收集能量输入、超级电池及电池状态，在每个系统传输时隙i对超级电容及电池的充放电状态、能量流动状态以及趋势进行模型化输出；

步骤5)、发送控制决策模块(102)根据能量收集状态预测信息、无线信道状态预测信息、数据包缓存信息以及能量行为建模模块(101)的输出信息进行发送方案的动态控制以做出相应的发送方案控制决策，所述发送方案控制决策包括：确定发送方案控制准则、确定或更新发送方案有效时长、数据包调度、建立发送方案调度时序层次、确定电池预期充放电次序、确定有效时长内各时隙数据包信道分配及数据包发送功率；

步骤6)、无线发射端模块(109)根据发送方案控制决策，在决策有效时长内采用相应发送方案进行数据包发送。