本發(fā)明涉及一種基于能量收集的通信系統(tǒng)信道數(shù)據(jù)發(fā)送的最優(yōu)功率分配方法，屬于無線通信
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，基于能量收集的無線通信系統(tǒng)的研究越來越引起人們的關(guān)注。帶有能量收集節(jié)點的無線通信系統(tǒng)，可以從自然界中如太陽能電池、振動吸收設(shè)備、水磨機、熱點發(fā)電機、微生物燃料電池等中收集能量，以供無線通信系統(tǒng)工作使用。在此類系統(tǒng)中，發(fā)送端的能量收集器可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時收集能量，并且存儲在電池中以供后面的數(shù)據(jù)發(fā)送階段使用。于是，我們需要研究新的發(fā)送數(shù)據(jù)的功率分配方法，以充分利用發(fā)送端收集的能量，同時又滿足數(shù)據(jù)發(fā)送的吞吐量最大化的相關(guān)要求。最近，文獻中多有基于能量收集的數(shù)據(jù)發(fā)送的相關(guān)研究，這些研究都致力于在整個數(shù)據(jù)發(fā)送過程中在能量因果約束和電池容量有限約束情況下，提高整個系統(tǒng)的吞吐量，而未考慮每個發(fā)送的過程中數(shù)據(jù)發(fā)送所耗能量不能超過電池當(dāng)前能量這一重要約束條件。如“TransmissionwithEnergyHarvestingNodesinFadingWirelessChannels：OptimalPolicies”(含有能量收集節(jié)點的無線衰落信道中數(shù)據(jù)發(fā)送的最優(yōu)方法)【IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,VOL,29,NO.8,SEPTEMBER2011】一文中討論了在無線信道中，該系統(tǒng)的能量收集器將收集的能量存儲在發(fā)送端的電池中，發(fā)送端利用電池中的能量發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化，同時還要滿足能量收集的因果約束及電池容量有限約束，但未考慮每個發(fā)送階段過程中電池中存儲的可用能量與發(fā)送數(shù)據(jù)所耗能量的關(guān)系。目前在可查資料中，仍然沒有這方面的研究。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了彌補現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，在考慮能量收集過程中同時發(fā)送數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)吞吐量最大化，并且保證每個發(fā)送階段中所耗能量不超過電池當(dāng)前存儲能量以及整個發(fā)送過程中收集能量與消耗能量之差不會造成電池容量溢出，本發(fā)明提出了一種基于能量收集的通信系統(tǒng)信道數(shù)據(jù)發(fā)送的最優(yōu)功率分配方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于能量收集的通信系統(tǒng)信道數(shù)據(jù)發(fā)送的最優(yōu)功率分配方法，由基于能量收集的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來實現(xiàn)：該系統(tǒng)包括發(fā)送端Tx、接收端Rx，在發(fā)送端有存放待發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)隊列和用來收集能量的電池，接收端用來接收數(shù)據(jù)；采用平穩(wěn)信道即信道增益h(t)＝1；假設(shè)已知時間[0,T]內(nèi)的時刻{t1,t2,...ti,...,tN}，對應(yīng)每個時刻到達發(fā)送端電池的能量大小為{E1,E2,...,Ei,...,EN}，其中初始時刻發(fā)送端電池中有能量E0，定義電池最大存儲容量為Emax，則對所有i均有Ei≤Emax；相鄰的兩次能量到達發(fā)送端電池的時間間隔定義為一個“時隙”，第i個時隙表示的時間區(qū)間為[ti-1,ti)，則第i個時隙的時長表示為Ti＝ti-ti-1，最后一個時隙時長TN+1＝T-tN；規(guī)定在每個時隙中系統(tǒng)發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的功率須是恒定的，用pi,i＝1,...,N+1表示；集合表示能量到達發(fā)送端電池的時刻以及各時刻到達發(fā)送端電池的能量的集合，該分配方法步驟如下：(1)確定優(yōu)化問題定義Bi為ti時刻電池中可用的能量，得到：Bi＝Bi-1-Tipi+Ei(1)其中B0＝E0，B0表示電池中初始時的可用能量；我們的目的是在T時間內(nèi)，給定發(fā)送端電池收集的能量前提下實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送過程中的吞吐量最大化，同時要滿足以下兩個約束條件：約束條件1：在每個時隙內(nèi)，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量不能大于電池中可用的能量，即：Tipi≤Bi-1,i＝1,...,N+1(2)約束條件2：電池容量有限約束，即發(fā)送端電池收集的能量減去發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量，剩余能量要小于或等于電池存儲最大容量：(E0+E1)-T1p1≤Emax，上式表示在第一個時隙末，收集的能量減去消耗的能量要小于或等于電池最大容量Emax；(E0+E1+E2)-(T1p1+T2p2)≤Emax，上式表示在第二個時隙末，收集的總能量減去消耗的總能量要小于或等于電池最大容量Emax；(E0+E1+E2+E3)-(T1p1+T2p2+T3p3)≤Emax，上式表示在第三個時隙末，收集的總能量減去消耗的總能量要小于或等于電池最大容量Emax；同理以此類推，直到(E0+E1+E2+E3+...+EN)-(T1p1+T2p2+T3p3+...+TNpN)≤Emax，上式表示在第N個時隙末，收集的總能量減去消耗的總能量要小于或等于電池最大容量Emax；為了方便，我們將上述式子歸納為：Σi=0kEi-Σi=1kTipi≤Emax,k=1,...,N---(3)]]>其中表示對Ei從E0一直到Ek的求和；表示對Tipi從T1p1一直到Tkpk的求和，這樣我們可以構(gòu)造如下優(yōu)化問題為：maxpi≥0Σi=1N+1Ti2log(1+pi)---(4)]]>subjecttoTi+1pi+1≤Bi,i＝0,...,N(5)Σi=0kEi-Σi=1kTipi≤Emax,k=1,...,N---(6)]]>式(4)中符號max表示求最大值符號，該符號后為目標(biāo)函數(shù)，符號subjectto表示約束符號，表示時間[0,T]內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)量最大化即吞吐量最大化，(5)式和(6)式分別為發(fā)送數(shù)據(jù)過程中發(fā)送端需要滿足的約束條件，該優(yōu)化問題是凸問題，存在唯一解；(2)求解優(yōu)化問題對上述優(yōu)化問題中的式子進行數(shù)學(xué)變換，(1)式中可以看出電池中可用的能量Bi與第i時隙之前的時隙發(fā)送端電池所收集的能量有關(guān)，這是因為受到能量因果約束，聯(lián)立(1)式和(5)式可得：T1p1≤E0,上式表明第一個時隙發(fā)送端消耗的能量應(yīng)小于或等于原始能量；T1p1+T2p2≤E0+E1,上式表明前二個時隙發(fā)送端消耗的總能量小于或等于收集的總能量，同理以此類推，直到T1p1+T2p2+...+Tipi+...+TN+1pN+1≤E0+E1+...+Ei-1+...+EN,上式表明前N個發(fā)送端時隙消耗的總能量小于或等于收集的總能量；為了方便，我們將上述式子歸納為：Σi=1k+1Tipi≤Σi=0kEi,k=0,...,N---(7)]]>利用凸優(yōu)化理論將原始最大優(yōu)化問題進行轉(zhuǎn)換，于是得到與式(4)-(6)相等意義的最小優(yōu)化問題：minpi≥0-Σi=1N+1Ti2log(1+pi)---(8)]]>subjecttoΣi=1kTipi≤Σi=0k-1Ei,k=1,...,N+1---(9)]]>Σi=0kEi-Σi=1kTiPi≤Emax,k=1,...,N---(10)]]>根據(jù)凸優(yōu)化理論，可得拉格朗日函數(shù)：L=-Σi=1N+1Ti2log(1+pi)+Σk=1N+1λk(Σi=1kTipi-Σi=1k-1Ei)+Σk=1Nηk(Σi=0kEi-Σi=1kTipi-Emax)---(11)]]>其中λk為與(9)式對應(yīng)的拉格朗日乘子；ηk為與(10)式對應(yīng)的拉格朗日乘子，由卡羅需-庫恩-塔克條件對拉格朗日函數(shù)L求解，可得最優(yōu)解pi*的閉式解的表達式：pi*=12ln2*(Σk=iN+1λk-Σk=iNηk)-1,i=1,...,N---(12)]]>下面我們通過子梯度下降迭代法來求解最優(yōu)值的具體值：1)設(shè)置初始迭代次數(shù)n＝0，兩組朗格朗日乘子的初始值分別用N+1維向量λ(0)和N維向量η(0)表示為：λ(0)＝[λ1,λ2,...,λN+1]；η(0)＝[η1,η2,...,ηN]；設(shè)置步長ε，ε表示該子梯度下降迭代法中的迭代步長；將λ(0)和η(0)的值代入式(12)和(13)可得一組最優(yōu)解的具體值；2)當(dāng)?shù)螖?shù)為n時，用λ(n)，η(n)表示當(dāng)前的兩組拉格朗日乘子，并將λ(n)和η(n)的值代入式(12)和(13)可得一組最優(yōu)解的具體值；3)采用以下2式來更新2組拉格朗日乘子：λ(n+1)＝λ(n)+εΔλ，梯度Δλ為N+1維向量，其中第k個值為η(n+1)＝η(n)+εΔη，梯度Δη為N維向量，其中第k個值為于是得到向量λ(n+1)中的第k(k＝1,...,N+1)個值：和向量η(n+1)中的第k(k＝1,...,N)個值：這樣我們可得到兩組更新后的拉格朗日乘子λ(n+1)和η(n+1)的值；4)令λ*＝λ(n+1)，η*＝η(n+1)將λ*和η*值代入式(12)和(13)可得一組最優(yōu)解的具體值，若λ*和η*在精度誤差允許范圍內(nèi)，則輸出最優(yōu)拉格朗日乘子λ*和η*；若λ*和η*不在精度誤差允許范圍內(nèi)，則令n＝n+1，重復(fù)步驟2)和3)；5)得到最優(yōu)解的具體值：利用式(12)-(13)中的閉式解表達式并通過上述子梯度下降迭代法，得到最優(yōu)解的具體值。本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明方法不僅能實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送過程中吞吐量最大化從而增強無線信道的性能，而且能保證數(shù)據(jù)發(fā)送的相關(guān)要求，相比傳統(tǒng)無線系統(tǒng)，帶有可收集能量節(jié)點的無線系統(tǒng)具有使用壽命明顯較長、受環(huán)境約束力小、持久性高等優(yōu)點，是對無線通信系統(tǒng)性能的一大改善。此類系統(tǒng)中，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，節(jié)點可以收集能量以供使用。該系統(tǒng)中，位于發(fā)送端的電池容量有限，分析數(shù)據(jù)的點對點通信，以實現(xiàn)在截至?xí)r間內(nèi)吞吐量最大化。為實現(xiàn)該目的，分配發(fā)送端的功率并使之受能量因果約束和電池容量有限約束。附圖說明圖1為本發(fā)明的基于能量收集的無線信道數(shù)據(jù)發(fā)送的結(jié)構(gòu)示意圖Tx表示數(shù)據(jù)發(fā)送端，在發(fā)送端有收集能量并存儲能量的電池(Emax表示電池最大存儲容量，Ei表示能量收集過程中到達的能量)以及待發(fā)送的數(shù)據(jù)，表示信道增益h是乘性信道增益，表示噪聲σ2是加性噪聲，Rx表示數(shù)據(jù)接收端，發(fā)送端Tx利用電池收集的能量通過增益為h的信道、以功率pi向接收端Rx發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送過程中受噪聲N的影響，通過合理分配pi尋找到最優(yōu)功率分配方法具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不限于此。實施例：本發(fā)明實施例如圖1所示，一種基于能量收集的通信系統(tǒng)信道數(shù)據(jù)發(fā)送的最優(yōu)功率分配方法，由基于能量收集的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來實現(xiàn)：該系統(tǒng)包括發(fā)送端Tx、接收端Rx，在發(fā)送端有存放待發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)隊列和用來收集能量的電池，接收端用來接收數(shù)據(jù)；采用平穩(wěn)信道即信道增益h(t)＝1；假設(shè)已知時間[0,T]內(nèi)的時刻{t1,t2,...ti,...,tN}，對應(yīng)每個時刻到達發(fā)送端電池的能量大小為{E1,E2,...,Ei,...,EN}，其中初始時刻發(fā)送端電池中有能量E0，定義電池最大存儲容量為Emax，則對所有i均有Ei≤Emax；相鄰的兩次能量到達發(fā)送端電池的時間間隔定義為一個“時隙”，第i個時隙表示的時間區(qū)間為[ti-1,ti)，則第i個時隙的時長表示為Ti＝ti-ti-1，最后一個時隙時長TN+1＝T-tN；規(guī)定在每個時隙中系統(tǒng)發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的功率須是恒定的，用pi,i＝1,...,N+1表示；集合表示能量到達發(fā)送端電池的時刻以及各時刻到達發(fā)送端電池的能量的集合，該分配方法步驟如下：(1)確定優(yōu)化問題定義Bi為ti時刻電池中可用的能量，得到：Bi＝Bi-1-Tipi+Ei(1)其中B0＝E0，B0表示電池中初始時的可用能量；我們的目的是在T時間內(nèi)，給定發(fā)送端電池收集的能量前提下實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送過程中的吞吐量最大化，同時要滿足以下兩個約束條件：約束條件1：在每個時隙內(nèi)，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量不能大于電池中可用的能量，即：Tipi≤Bi-1,i＝1,...,N+1(2)約束條件2：電池容量有限約束，即發(fā)送端電池收集的能量減去發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量，剩余能量要小于或等于電池存儲最大容量：(E0+E1)-T1p1≤Emax，上式表示在第一個時隙末，收集的能量減去消耗的能量要小于或等于電池最大容量Emax；(E0+E1+E2)-(T1p1+T2p2)≤Emax，上式表示在第二個時隙末，收集的總能量減去消耗的總能量要小于或等于電池最大容量Emax；(E0+E1+E2+E3)-(T1p1+T2p2+T3p3)≤Emax，上式表示在第三個時隙末，收集的總能量減去消耗的總能量要小于或等于電池最大容量Emax；同理以此類推，直到(E0+E1+E2+E3+...+EN)-(T1p1+T2p2+T3p3+...+TNpN)≤Emax，上式表示在第N個時隙末，收集的總能量減去消耗的總能量要小于或等于電池最大容量Emax；為了方便，我們將上述式子歸納為：Σi=0kEi-Σi=1kTipi≤Emax,k=1,...,N---(3)]]>其中表示對Ei從E0一直到Ek的求和；表示對Tipi從T1p1一直到Tkpk的求和，這樣我們可以構(gòu)造如下優(yōu)化問題為：maxpi≥0Σi=1N+1Ti2log(1+pi)---(4)]]>subjecttoTi+1pi+1≤Bi,i＝0,...,N(5)Σi=0kEi-Σi=1kTipi≤Emax,k=1,...,N---(6)]]>式(4)中符號max表示求最大值符號，該符號后為目標(biāo)函數(shù)，符號subjectto表示約束符號，表示時間[0,T]內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)量最大化即吞吐量最大化，(5)式和(6)式分別為發(fā)送數(shù)據(jù)過程中發(fā)送端需要滿足的約束條件，該優(yōu)化問題是凸問題，存在唯一解；(2)求解優(yōu)化問題對上述優(yōu)化問題中的式子進行數(shù)學(xué)變換，(1)式中可以看出電池中可用的能量Bi與第i時隙之前的時隙發(fā)送端電池所收集的能量有關(guān)，這是因為受到能量因果約束，聯(lián)立(1)式和(5)式可得：T1p1≤E0,上式表明第一個時隙發(fā)送端消耗的能量應(yīng)小于或等于原始能量；T1p1+T2p2≤E0+E1,上式表明前二個時隙發(fā)送端消耗的總能量小于或等于收集的總能量，同理以此類推，直到T1p1+T2p2+...+Tipi+...+TN+1pN+1≤E0+E1+...+Ei-1+...+EN,上式表明前N個發(fā)送端時隙消耗的總能量小于或等于收集的總能量；為了方便，我們將上述式子歸納為：Σi=1k+1Tipi≤Σi=0kEi,k=0,...,N---(7)]]>利用凸優(yōu)化理論將原始最大優(yōu)化問題進行轉(zhuǎn)換，于是得到與式(4)-(6)相等意義的最小優(yōu)化問題：minpi≥0-Σi=1N+1Ti2log(1+pi)---(8)]]>subjecttoΣi=1kTipi≤Σi=0k-1Ei,k=1,...,N+1---(9)]]>Σi=0kEi-Σi=1kTipi≤Emax,k=1,...,N---(10)]]>根據(jù)凸優(yōu)化理論，可得拉格朗日函數(shù)：L=-Σi=1N+1Ti2log(1+pi)+Σk=1N+1λk(Σi=1kTipi-Σi=1k-1Ei)+Σk=1Nηk(Σi=0kEi-Σi=1kTipi-Emax)---(11)]]>其中λk為與(9)式對應(yīng)的拉格朗日乘子；ηk為與(10)式對應(yīng)的拉格朗日乘子，由卡羅需-庫恩-塔克條件對拉格朗日函數(shù)L求解，可得最優(yōu)解的閉式解的表達式：pi*=12ln2*(Σk=iN+1λk-Σk=iNηk)-1,i=1,...,N---(12)]]>下面我們通過子梯度下降迭代法來求解最優(yōu)值的具體值：1)設(shè)置初始迭代次數(shù)n＝0，兩組朗格朗日乘子的初始值分別用N+1維向量λ(0)和N維向量η(0)表示為：λ(0)＝[λ1,λ2,...,λN+1]；η(0)＝[η1,η2,...,ηN]；設(shè)置步長ε，ε表示該子梯度下降迭代法中的迭代步長；將λ(0)和η(0)的值代入式(12)和(13)可得一組最優(yōu)解的具體值；2)當(dāng)?shù)螖?shù)為n時，用λ(n)，η(n)表示當(dāng)前的兩組拉格朗日乘子，并將λ(n)和η(n)的值代入式(12)和(13)可得一組最優(yōu)解的具體值；3)采用以下2式來更新2組拉格朗日乘子：λ(n+1)＝λ(n)+εΔλ，梯度Δλ為N+1維向量，其中第k個值為η(n+1)＝η(n)+εΔη，梯度Δη為N維向量，其中第k個值為于是得到向量λ(n+1)中的第k(k＝1,...,N+1)個值：和向量η(n+1)中的第k(k＝1,...,N)個值：這樣我們可得到兩組更新后的拉格朗日乘子λ(n+1)和η(n+1)的值；4)令λ*＝λ(n+1)，η*＝η(n+1)將λ*和η*值代入式(12)和(13)可得一組最優(yōu)解的具體值，若λ*和η*在精度誤差允許范圍內(nèi)，則輸出最優(yōu)拉格朗日乘子λ*和η*；若λ*和η*不在精度誤差允許范圍內(nèi)，則令n＝n+1，重復(fù)步驟2)和3)；5)得到最優(yōu)解的具體值：利用式(12)-(13)中的閉式解表達式并通過上述子梯度下降迭代法，得到最優(yōu)解的具體值。當(dāng)前第1頁1 2 3