CN109495958A - 能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法，包括发送端在发送数据时以从发送端到接收端的信道增益和发送端的状态参数确定基础发送功率，同时所述发送端接收来自接收端反馈的接收端数据缓存数据量信息确定调节功率，所述发送端以基础发送功率+调节功率为最终发送功率发送数据。本发明可满足接收端应用层的数据传输要求，减小接收端应用的中断概率。

Description

能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法
技术领域
本发明涉及一种通信系统发送功率控制方法，特别是涉及一种能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法，属于通信技术领域。
背景技术
在传统的传感器网络中，无线传感器的能量是由固定的电源提供的，比如电池，因此，当传感器的电源的能量用尽的时候，必须更换电源。如果传感器分布得很广，数目很多，更换电源将耗费大量的人力和物力。特别是当传感器安装在不容易更换的地点，比如说，植入体内，更换电源的代价更是昂贵。而能量捕获技术，给这些问题提供了有效的解决方案。当无线传感器配备上能量捕获技术时，它可以从周边的环境捕获太阳能，动能，风能，热能等能量，将它们转化为电能提供给传感器。这样，传感器就可以永久性地工作了。但是，由于捕获的能量的不确定性，怎样更好得利用捕获的能量，并且根据无线通信信道的随机变化，进行最优的发送功率控制是研究的热点。
现有技术中常用的技术方案如图1，Tx表示发送节点，Rx表示接收节点，在发送节点，捕获到的能量存放在能量缓存中，需要发送的数据存放在发送数据缓存中，h代表从发送端到接收端的信道增益，N代表白噪声。h由接收端测量通过反馈信道传回给发送方，图中用虚线表示反馈信道，信道状态信息即h。常用的发送功率控制方法是根据能量缓存中能量的多少和信道增益h来决定发送能量的大小，以最大化平均的传输吞吐量。或者根据发送数据缓存的数据多少、能量的多少和信道增益h来决定发送功率的大小，以最小化平均延时。但是对于接收端应用层的实时的传输速率和延时要求无法满足。在某些时间段，接收端的应用可能会因为数据不足而出现中断。
发明内容
本发明的目的是提供一种能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法，减小由于捕获的能量的随机性、间断性影响，满足接收端应用层的数据传输要求，减小接收端应用的中断概率。
本发明的技术方案是这样的：一种能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法，包括发送端在发送数据时以从发送端到接收端的信道增益和发送端的状态参数确定基础发送功率，同时所述发送端接收来自接收端反馈的接收端数据缓存数据量信息确定调节功率，所述发送端以基础发送功率+调节功率为最终发送功率发送数据。
进一步的，所述发送端接收来自接收端反馈的接收端数据缓存数据量信息确定调节功率包括以下步骤：首先，划定若干接收端数据缓存数据量的若干连续区间，并设定每个所述接收端数据缓存数据量区间对应的调节功率；然后，所述发送端接收来自接收端反馈的接收端数据缓存数据量信息时找出接收端数据缓存数据量所处的接收端数据缓存数据量区间，并根据所述接收端数据缓存数据量区间得到调节功率。
进一步的，所述发送端接收来自接收端反馈的接收端数据缓存数据量信息确定调节功率包括以下步骤：首先，划定若干接收端数据缓存数据量的若干连续区间，并设定每个所述接收端数据缓存数据量区间对应的标识及调节功率；然后所述接收端找出接收端数据缓存数据量所处的接收端数据缓存数据量区间，并将找出的所述接收端数据缓存数据量区间对应的标识作为接收端数据缓存数据量信息反馈给发送端；最后发送端根据所述标识得到对应的调节功率。
优选的，所述连续区间包括依次连续的第一区间、第二区间和第三区间，所述第一区间对应的调节功率为ΔP1，所述第二区间对应的调节功率为零，所述第三区间对应的调节功率为ΔP2，所述ΔP1和ΔP2由以下方法计算得到：
发送端以基础发送功率+ΔP1发送数据时，使得本时隙或时间段发送的数据包数量增加为K1+δ1，δ1为小于等于N/3的正数；发送端以基础发送功率+ΔP2发送数据时，使得本时隙或时间段发送的数据包数量减小为K1-δ2，δ2为小于等于N/3且小于K1的正数；其中K1为发送端以基础发送功率发送数据时，本时隙或时间段内能发送的数据包数量；N为接收端数据缓存最多能存放的数据包的数量。
进一步的，以防止接收端缓存溢出，同时节省发送能量，所述发送端以基础发送功率+调节功率为最终发送功率发送数据时控制最终发送功率小于等于发送端在本时隙或时间段内发送的数据包数量为N-M时所需的发送功率，N为接收端数据缓存最多能存放的数据包的数量，M为发送端接收到来自接收端反馈的接收端数据缓存数据包数量。
进一步的，所述发送端的状态参数包括发送端能量缓冲的能量值，所述发送端在发送数据时以从发送端到接收端的信道增益和发送端能量缓冲的能量值按最大化平均的传输吞吐量确定基础发送功率。
进一步的，所述发送端的状态参数包括发送端能量缓冲的能量值和发送端发送数据缓存的数据量，所述发送端在发送数据时以从发送端到接收端的信道增益、发送端能量缓冲的能量值和发送端发送数据缓存的数据量按最小化平均延时确定基础发送功率。
本发明所提供的技术方案的优点在于，利用了接收端数据缓存中数据量的大小的信息，来调节发送功率的大小，从而更好地满足接收端应用的需求，并减少应用中断的概率。
附图说明
图1为现有技术能量捕获通信系统中发送功率控制方法示意图。
图2为本发明能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请结合图1及图2所示，本实施例涉及一种能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法。如图2，Tx表示发送段节点，Rx表示接收端节点，在发送端节点，捕获到的能量存放在能量缓存1中，需要发送的数据存放在发送数据缓存2中，h代表从发送端到接收端的信道增益，N代表白噪声。在接收端，接收到的数据存放在接收数据缓存3中，接收端从接收数据缓存3中读取数据，来支持各种应用。如果接收数据缓存3中数据不足，则应用有可能中断，如果接收数据缓存3中数据过多，则可能发生数据溢出。在反馈信道中，如图2中虚线所示，接收端缓存信息和信道状态信息一同反馈给发送端。如果不需要反馈信道状态信息，那么接收端缓存信息可单独反馈给发送端。对于一些固定的应用，如果接收数据缓存信息在发送端可以模拟计算得到，那么接收数据缓存信息就不需要由反馈信道得到，而是由发送端模拟计算得到。然后，发送端根据能量缓存1的信息bf，信道增益h，以及接收端数据缓存数据量信息ef，来决定发送功率的大小P(h,bf,ef)，P(h,bf,ef)可以由公式或者查表的方法得到。
以采用公式计算的方法得到P(h,bf,ef)为例，先采用现有的功率计算方法算得基础发送功率P，现有的方法可以是按最大化平均的传输吞吐量的功率分配方法或者是按最小化平均延时功率分配方法确定。按最大化平均的传输吞吐量的功率分配方法是由发送端按发送端根据能量缓存1的信息bf和信道增益h确定，而按最小化平均延时功率分配方法是由发送端根据能量缓存1的信息bf、信道增益h和发送端发送数据缓存2的数据量确定。
发送端根据接收端数据缓存数据量信息ef，来调节发送功率。假设接收端数据缓存数据量信息ef即为接收端数据缓存数据量，则事先设定三个连续的区间，即ef小于第一阈值为第一区间，ef大于第二阈值为第三区间，ef处于第一阈值和第二阈值之间为第二区间。
第一区间对应的调节功率ΔP1，发送端以基础发送功率+ΔP1发送数据时，使得本时隙或时间段发送的数据包数量增加为K1+δ1，δ1为小于等于N/3的正数，ΔP1可由以下公式计算
第二区间对应的调节功率为零，第三区间对应的调节功率为ΔP2，发送端以基础发送功率+ΔP2发送数据时，使得本时隙或时间段发送的数据包数量减小为K1-δ2，δ2为小于等于N/3且小于K1的正数，ΔP2可由以下公式计算
其中P为基础发送功率；K1为发送端以基础发送功率发送数据时，本时隙或时间段内能发送的数据包数量；参数L为单个数据包长度，假设数据包是等长的；Δt为时隙的长度；W为带宽；N0W为噪声；h为信道增益。上述三个区间的划分只是一种事宜，可以根据实际情况划分为多个区间，当划分为多个区间时，可采用预先设定的区间与调节功率对应表来确定调节功率。
发送端在接收到接收端数据缓存数据量信息ef处于第一区间时，最终发送功率即为P+ΔP1，接收到接收端数据缓存数据量信息ef处于第二区间时，最终发送功率仍为P，接收到接收端数据缓存数据量信息ef处于第二区间时，最终发送功率为P+ΔP2。同时为了防止接收端缓存溢出，并节省发送能量，最终发送功率应满足小于等于发送端在本时隙或时间段内发送的数据包数量为N-M时所需的发送功率，N为接收端数据缓存最多能存放的数据包的数量，M为发送端接收到来自接收端反馈的接收端数据缓存数据包数量。该发送功率可由以下公式计算
其中L为单个数据包长度，假设数据包是等长的；Δt为时隙的长度；W为带宽；N0W为噪声；h为信道增益。
除了以公式计算的方式得到P(h,bf,ef)，还可以以查表方式得到，发送端根据接收端数据缓存数据量信息ef，来调节发送功率。假设接收端数据缓存数据量信息ef即为接收端数据缓存数据量，则事先设定三个连续的区间，即ef小于第一阈值为第一区间，ef大于第二阈值为第三区间，ef处于第一阈值和第二阈值之间为第二区间。
第一区间对应的调节功率ΔP1，第二区间对应的调节功率为零，第三区间对应的调节功率为ΔP2，此时ΔP1、ΔP2为预先确定的值而非实时计算得到，因此建立了区间与调节功率对应的表，由表格数据得到相应的调节功率。发送端在接收到接收端数据缓存数据量信息ef处于第一区间时，最终发送功率即为P+ΔP1，接收到接收端数据缓存数据量信息ef处于第二区间时，最终发送功率仍为P，接收到接收端数据缓存数据量信息ef处于第二区间时，最终发送功率为P+ΔP2。与公式计算方法相同，表格查找方法的最终发送功率应满足小于等于发送端在本时隙或时间段内发送的数据包数量为N-M时所需的发送功率，N为接收端数据缓存最多能存放的数据包的数量，M为发送端接收到来自接收端反馈的接收端数据缓存数据包数量。接收端数据缓存数据量信息ef的反馈可以每隔固定时间反馈，也可以只在ef处于特定区间时进行反馈，来减少反馈的信息量。以上述三区间为例接收端可以定期发送接收数据缓存的数据量给发送端，也可以只在接收数据缓存的数据量小于第一阈值或大于第二阈值时，将接收数据缓存的数据量发送给发送端。
除了直接发送接收数据缓存的数据量，也可以找出接收端数据缓存数据量的接收端数据缓存数据量区间，找出的接收端数据缓存数据量区间对应的标识，将标识发送给发送端，由发送端根据标识以及对应的调节功率来确定最终发送功率。例如用比特0代表小于第一阈值，比特1代表大于第二阈值，来进一步减少反馈的信息量。采用多位比特以对应超过三个区间的划分，表明ef在哪个区间内。

Claims (7)

1.一种能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法，其特征在于：包括发送端在发送数据时以从发送端到接收端的信道增益和发送端的状态参数确定基础发送功率，同时所述发送端接收来自接收端反馈的接收端数据缓存数据量信息确定调节功率，所述发送端以基础发送功率+调节功率为最终发送功率发送数据。
2.根据权利要求1所述的能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法，其特征在于：所述发送端接收来自接收端反馈的接收端数据缓存数据量信息确定调节功率包括以下步骤：首先，划定若干接收端数据缓存数据量的若干连续区间，并设定每个所述接收端数据缓存数据量区间对应的调节功率；然后，所述发送端接收来自接收端反馈的接收端数据缓存数据量信息时找出接收端数据缓存数据量所处的接收端数据缓存数据量区间，并根据所述接收端数据缓存数据量区间得到调节功率。
3.根据权利要求1所述的能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法其特征在于：所述发送端接收来自接收端反馈的接收端数据缓存数据量信息确定调节功率包括以下步骤：首先，划定若干接收端数据缓存数据量的若干连续区间，并设定每个所述接收端数据缓存数据量区间对应的标识及调节功率；然后所述接收端找出接收端数据缓存数据量所处的接收端数据缓存数据量区间，并将找出的所述接收端数据缓存数据量区间对应的标识作为接收端数据缓存数据量信息反馈给发送端；最后发送端根据所述标识得到对应的调节功率。
4.根据权利要求2或3所述的能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法，其特征在于：所述连续区间包括依次连续的第一区间、第二区间和第三区间，所述第一区间对应的调节功率为ΔP1，所述第二区间对应的调节功率为零，所述第三区间对应的调节功率为ΔP2，所述ΔP1和ΔP2由以下方法计算得到：
发送端以基础发送功率+ΔP1发送数据时，使得本时隙或时间段发送的数据包数量增加为K1+δ1，δ1为小于等于N/3的正数；发送端以基础发送功率+ΔP2发送数据时，使得本时隙或时间段发送的数据包数量减小为K1-δ2，δ2为小于等于N/3且小于K1的正数；其中K1为发送端以基础发送功率发送数据时，本时隙或时间段内能发送的数据包数量；N为接收端数据缓存最多能存放的数据包的数量。
5.根据权利要求1所述的能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法其特征在于：所述发送端以基础发送功率+调节功率为最终发送功率发送数据时控制最终发送功率小于等于发送端在本时隙或时间段内发送的数据包数量为N-M时所需的发送功率，N为接收端数据缓存最多能存放的数据包的数量，M为发送端接收到来自接收端反馈的接收端数据缓存数据包数量。
6.根据权利要求1所述的能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法，其特征在于：所述发送端的状态参数包括发送端能量缓冲的能量值，所述发送端在发送数据时以从发送端到接收端的信道增益和发送端能量缓冲的能量值按最大化平均的传输吞吐量确定基础发送功率。
7.根据权利要求1所述的能量捕获通信系统中利用缓存反馈的发送功率控制方法，其特征在于：所述发送端的状态参数包括发送端能量缓冲的能量值和发送端发送数据缓存的数据量，所述发送端在发送数据时以从发送端到接收端的信道增益、发送端能量缓冲的能量值和发送端发送数据缓存的数据量按最小化平均延时确定基础发送功率。
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