一種能量采集點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信和能量采集技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種能量采集方式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)中所用的設(shè)備，大多是用電池來供 電的。這種供電方式存在一個(gè)很大的問題：設(shè)備的壽命是有限的。當(dāng)電池中的電量耗盡了 以后，設(shè)備就不能再使用了。為了維持系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，就只能不停的更換電池或者周期性地給 電池充電。能量采集是一個(gè)很好的解決電量問題的方案。設(shè)備可以從各種能量源（比如： 太陽能、震動(dòng)能、風(fēng)能等等）中獲取能量，獲得的能量可以供設(shè)備使用。因?yàn)槟芰吭纯梢栽?源不斷的提供能量，所以設(shè)備就不用擔(dān)心電量耗盡的問題了。
[0003] 能量采集技術(shù)，目前有三種工作模式："采集-使用"模式，"采集-存儲(chǔ)-使用"模 式和"采集-使用-存儲(chǔ)"模式。在"采集-使用"模式中，設(shè)備采集到的能量會(huì)直接被使 用掉。在"采集-存儲(chǔ)-使用"模式中，采集到的能量先被存儲(chǔ)在電池中，然后再根據(jù)需要， 取出來使用。而"采集-使用-存儲(chǔ)"模式，則是讓此刻接收到的能量先直接用于當(dāng)前的消 耗，如果有剩余，再存入電池中?，F(xiàn)今的一些文獻(xiàn)對(duì)"采集-存儲(chǔ)-使用"模式和"采集-使 用-存儲(chǔ)"有許多研宄，也將其應(yīng)用在了很多不同的系統(tǒng)中。"采集-使用"模式，雖然不能 存儲(chǔ)能量，但是也有其使用的特定場(chǎng)合。
[0004] 現(xiàn)有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，在無線傳感網(wǎng)以及整個(gè)移動(dòng)通信系統(tǒng)中， 都有著廣泛地使用，但是，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)存在著能量的問題。目前很多技術(shù)都對(duì)通信協(xié)議 以及工作模式進(jìn)行研宄，提出了很多降低能耗的方法，起到了延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命的作用。但是， 上述的根本問題并沒有得到解決。因此，需要找到一種特殊的供能方法，使得通信系統(tǒng)的能 量問題得以解決。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)中的總能量有限的問題，提出了 一種能量采集點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該方法是基于"采集-使用"模式，該方法對(duì)硬 件需求很少，節(jié)約了成本。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明提出了一種能量采集點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該方法包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :引入一個(gè)能量源，在系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)給系統(tǒng)提供能量。
[0008] 在當(dāng)發(fā)送端要傳送數(shù)據(jù)給接收端的時(shí)，發(fā)送端先從能量源獲取能量，再用這些能 量來支持整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送的工作。
[0009] 步驟2 :采用大規(guī)模分布式天線陣列的架構(gòu)。
[0010] 通信系統(tǒng)建立在大規(guī)模分布式天線陣列的架構(gòu)之下，大規(guī)模分布式天線陣列是指 在一個(gè)小區(qū)內(nèi)有大量的天線（即：1〇〇到1000個(gè)遠(yuǎn)程天線單元），這些天線單元分布在小區(qū) 的各個(gè)地方。
[0011] 步驟3 :采用一種"采集-使用"模式使得能量源向發(fā)送端供能。
[0012] 當(dāng)系統(tǒng)工作在"采集_使用"模式時(shí)，發(fā)送端不能儲(chǔ)存能量，所有接收到的能量都 會(huì)立即用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。存儲(chǔ)能量的過程必定會(huì)帶來能量的損失，而長(zhǎng)時(shí)間不使用能量，電 池中也會(huì)有一大部分的電量泄露。因此，在突發(fā)性業(yè)務(wù)場(chǎng)合中，采用能量存儲(chǔ)設(shè)備往往會(huì)使 能量的使用效率較低。另外，"采集-使用"模式的硬件需求和成本非常小。在系統(tǒng)工作時(shí)， 由于硬件簡(jiǎn)單，消耗也會(huì)比另外兩種模式少。
[0013] 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信是一種相對(duì)而言比較突發(fā)性的通信。這種通信不是一直進(jìn)行的，而且 每次通信的時(shí)間也不會(huì)太長(zhǎng)。在這樣的突發(fā)性業(yè)務(wù)中，"采集-使用"模式的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)。
[0014] 步驟4 :對(duì)通信系統(tǒng)建模，引入拉格朗日函數(shù)，用最優(yōu)化的方法求得最佳功率分配 方案和信道情況的關(guān)系。
[0015] 在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型中，引入了拉格朗日函數(shù)來進(jìn)行分析，找出在"采集-使用"模 式下的最佳功率分配方案和每個(gè)時(shí)刻信道參數(shù)以及時(shí)間分配系數(shù)的關(guān)系。
[0016] 在本發(fā)明的通信系統(tǒng)中，每個(gè)時(shí)刻各個(gè)信道的情況都是隨機(jī)的，且相互獨(dú)立的。通 信的過程中，一直有足夠數(shù)據(jù)需要發(fā)送，不會(huì)出現(xiàn)有能量可以使用卻沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的 情況。通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建模，可以得到系統(tǒng)容量的計(jì)算公式和一些相應(yīng)的約束條件。本發(fā) 明引入拉格朗日函數(shù)來對(duì)整個(gè)最優(yōu)化問題進(jìn)行分析，最終得到了最佳功率分配方案和每個(gè) 時(shí)刻信道參數(shù)以及時(shí)間分配系數(shù)的關(guān)系。
[0017] 步驟5 :利用注水算法，計(jì)算出最佳功率分配方案。
[0018] 根據(jù)上述步驟4對(duì)系統(tǒng)容量的分析，得出了最優(yōu)的功率分配方案可以通過注水的 方法，計(jì)算出唯一的解。利用注水方法，計(jì)算出最佳功率分配方案。
[0019] 本發(fā)明還提出了一種能量采集點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括能量源、發(fā)送端和接 收端。所述能量源主要是用于為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信工作提供能量。所述發(fā)送端主要是用于接收能 量，并用此能量發(fā)送數(shù)據(jù)。所述接收端主要是用于接收數(shù)據(jù)；所述的能量源是一個(gè)總能量受 限的能量源。
[0020] 有益效果：
[0021] 1、本發(fā)明解決了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中的供能問題，使得系統(tǒng)的工作壽命大大延長(zhǎng)，并且 本發(fā)明能夠節(jié)約硬件的成本。
[0022] 2、本發(fā)明利用最優(yōu)化的方法和注水算法對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，找到了最優(yōu)的功率 分配方案，使得系統(tǒng)的容量得到了很大地提升。
[0023] 3、本發(fā)明能夠大大減小用戶與天線單元的距離，從而能夠降低能量傳輸?shù)木嚯x， 進(jìn)一步提高了能量的傳輸效率。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)圖。
[0025] 圖2為本發(fā)明系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0026] 圖3為本發(fā)明的注水法示意圖。
[0027] 圖4為本發(fā)明的方法流程