采用環(huán)境能量供電的無線發(fā)射端發(fā)送裝置及發(fā)送方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別涉及采用環(huán)境能量供電的無線發(fā)射端發(fā)送裝置及 發(fā)送方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無論是對于諸如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、宏基站等大型的通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)，還是如無 線傳感器、移動終端、家庭基站等小型通信設(shè)備，節(jié)能降耗一直是信息通信領(lǐng)域發(fā)展的重要 主題，其重要性仍在不斷提升。近年來，基于環(huán)境能量收集供電的無線通信技術(shù)及設(shè)備由于 其獨(dú)特的優(yōu)勢受到了廣泛的關(guān)注。
[0003] 環(huán)境能量收集方式為部署環(huán)境無法或難以接入穩(wěn)定的電力供應(yīng)的無線通信系統(tǒng) 及設(shè)備（如偏遠(yuǎn)地區(qū)的基站，或者大量部署于建筑樓體內(nèi)部的無線傳感器，或者隨時處于 移動狀態(tài)的移動終端等）提供了理論上的永久性能量來源，減低了建設(shè)、維護(hù)成本。因此， 學(xué)術(shù)界與工業(yè)界都對基于環(huán)境能量收集供電的無線通信系統(tǒng)及設(shè)備投入了大量的研發(fā)精 力。
[0004] 由于環(huán)境能量存在波動性與間歇性，考慮環(huán)境能量的輸入、存儲、無線信道狀態(tài)以 及無線用戶需求下的無線發(fā)射端發(fā)送方法成為保證基于環(huán)境能量收集的無線通信系統(tǒng)性 能的關(guān)鍵，其包含了發(fā)射功率控制、發(fā)送數(shù)據(jù)包調(diào)度、頻譜資源調(diào)度等。目前，相關(guān)領(lǐng)域技 術(shù)人員與學(xué)者對這方面進(jìn)行了大量的研究。如參考文獻(xiàn)I《Kansal, Aman, et al. "Power management in energy harvesting sensor networks. 〃ACM Transactions on Embedded Computing Systems (TECS)，vol. 6, no. 4, 2007, pp. 32》與參考文獻(xiàn) 2《Gorlatova, Maria, Aya Wallwater,and Gil Zussman."Networking low-power energy harvesting devices !Measurements and algorithms, ^Mobile Computing, IEEE Transactions on, vol. I 2, no. 9, 2013, pp. 1853-1865》中所披露的。
[0005] 目前，現(xiàn)有研究工作在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均采用一個有限長或無限長的單隊(duì)列來構(gòu)造能 耗負(fù)載（即無線發(fā)射端部分）之前的能量行為模型，并假設(shè)單隊(duì)列的輸入/輸出（即儲能 部分的充電/放電）可根據(jù)能量收集部分的能量到達(dá)以及無線傳輸部分的能耗任意變化。
[0006] 在參考文獻(xiàn) 3《Ongaro, Fabio, Stefano Saggini, and Paolo Mattav e11 i · 〃Li-ionbattery-supercapacitor hybrid storage system for a long lifetime, photovoltaic-based wireless sensor network. "Power Electronics, IEEE Transactions on27. 9 (2012) : 3944-3952》所披露的實(shí)際系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)的儲能部分能 夠近似上述假設(shè)，往往同時采用超級電容與儲能電池并存的混合儲能系統(tǒng)，利用超級電容 支撐快速的充放電變化，利用儲能電池實(shí)現(xiàn)大容量長時間的儲能。這種情況下，由于超級電 容與電池充放電的充放電特性不同，并需采用特定的聯(lián)合管理機(jī)制進(jìn)行能量分布與狀態(tài)管 理，這使得單隊(duì)列的模型無法有效反映實(shí)際系統(tǒng)中管理機(jī)制以及能量的內(nèi)部流動與分布， 導(dǎo)致以該模型輸出為決策依據(jù)的發(fā)送方案的實(shí)際性能下降。
[0007] 因此，如何實(shí)現(xiàn)能耗負(fù)載之前的能量行為的動態(tài)建模，達(dá)到分辨系統(tǒng)內(nèi)部能量流 動與分布，有效反映超級電容與電池在系統(tǒng)運(yùn)行過程的充放電狀態(tài)及其管理機(jī)制的機(jī)制， 并以此模型的輸出為決策依據(jù)進(jìn)行相適應(yīng)的無線發(fā)射端發(fā)送方案控制是環(huán)境能量供電的 無線通信系統(tǒng)發(fā)展中的重要問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的環(huán)境能量供電的無線通信系統(tǒng)由于無法有 效反映超級電容與電池間能量的流動與分布而導(dǎo)致的發(fā)送方案實(shí)際性能降低的問題，從而 提供一種性能較高的無線發(fā)射端發(fā)送裝置。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種采用環(huán)境能量供電的無線發(fā)射端發(fā)送裝 置，包括能量行為建模模塊、發(fā)送控制決策模塊、發(fā)送決策有效時長計(jì)時模塊、環(huán)境能量收 集模塊、能量收集預(yù)測模塊、能量控制模塊、儲能模塊、數(shù)據(jù)包緩存模塊、無線發(fā)射端模塊； 其中，所述儲能模塊包括超級電容及電池；
[0010] 所述環(huán)境能量收集模塊在能量控制模塊的控制下收集環(huán)境能量，并將所收集的環(huán) 境能量存儲到所述儲能模塊中；所述儲能模塊向裝置中的其他模塊提供電能；所述能量收 集預(yù)測模塊預(yù)測未來一段時間所能收集的能量的變化情況；所述數(shù)據(jù)包緩存模塊緩存到達(dá) 的用戶數(shù)據(jù)包并對用戶數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間進(jìn)行預(yù)測；所述能量行為建模模塊實(shí)現(xiàn)對能量控 制模塊控制下形成的能量行為進(jìn)行建模；所述發(fā)送控制決策模塊根據(jù)能量行為建模模塊 所輸出的能量行為模型、能量收集預(yù)測模塊輸出的能量收集信息、數(shù)據(jù)包緩存模塊輸出的 用戶數(shù)據(jù)包信息以及無線發(fā)射端模塊輸出的無線信道狀態(tài)信息，做出包括各時隙數(shù)據(jù)包調(diào) 度、發(fā)送功率控制、數(shù)據(jù)包頻譜信道分配的發(fā)送方案控制決策，并更新發(fā)送方案控制決策的 有效時長；所述發(fā)送決策有效時長計(jì)時模塊檢查當(dāng)前時隙是否超過所述發(fā)送控制決策模塊 前一次做出的發(fā)送方案控制決策的有效時長，若是，由所述能量行為建模模塊重新建模、由 所述發(fā)送控制決策模塊重新進(jìn)行決策，否則通知無線發(fā)射端模塊按照上一次的發(fā)送方案控 制決策執(zhí)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送；所述無線發(fā)射端模塊用于將用戶數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)由無線空口發(fā)送 給用戶，還能預(yù)測未來一定時間內(nèi)無線信道狀態(tài)變化情況。
[0011] 上述技術(shù)方案中，所述能量行為建模模塊依據(jù)所述能量控制模塊所建立的能量控 制規(guī)則建立傳輸時隙i時整個能量控制機(jī)制的狀態(tài)機(jī)模型；然后根據(jù)所建立的狀態(tài)機(jī)模 型，抽取整合各獨(dú)立狀態(tài)，導(dǎo)出相應(yīng)代數(shù)來表示相應(yīng)的能量行為模型；其中的能量控制規(guī)則 用于控制所述環(huán)境能量收集模塊的激活與休眠，以及控制所述儲能模塊中超級電容與電池 的充放電狀態(tài)。
[0012] 上述技術(shù)方案中，所述發(fā)送控制決策模塊采用如下方式生成發(fā)送方案控制決策：
[0013] 首先結(jié)合所述能量行為建模模塊所輸出的能量行為模型建立控制準(zhǔn)則；
[0014] 接著根據(jù)數(shù)據(jù)包緩存模塊中的數(shù)據(jù)包緩存信息與數(shù)據(jù)包到達(dá)預(yù)測信息確定或更 新發(fā)送方案控制決策的有效時長；
[0015] 然后由所述有效時長確定調(diào)度數(shù)據(jù)包的集合；
[0016] 再接著，將所述有序時長劃分為兩層時序結(jié)構(gòu)，基于該時序結(jié)構(gòu)，結(jié)合當(dāng)前電池電 壓與能量控制模塊所采用的能量控制規(guī)則，確定當(dāng)前發(fā)送方案決策的有效時長內(nèi)可選電池 充放電次序方案的集合；
[0017] 為所述可選電池充放電次序方案的集合中的某一方案所對應(yīng)的有效時長內(nèi)各時 隙中可發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行頻譜單元信道分配；
[0018] 基于所述數(shù)據(jù)包頻譜單元信道分配方案以及對應(yīng)的電池充放電次序方案，確定各 數(shù)據(jù)包在各時隙是否存在可行的發(fā)送功率方案；若存在可行的發(fā)送功率方案，則當(dāng)前電池 充放電次序方案及相應(yīng)的數(shù)據(jù)包頻譜單元信道分配、數(shù)據(jù)包發(fā)送功率控制方案為所述發(fā)送 方案控制決策；否則從所述可選電池充放電次序方案的集合中選取另一電池充放電次序方 案，然后重新進(jìn)行頻譜單元信道分配以及發(fā)送功率方案是否可行的判斷，直至得到發(fā)送方 案控制決策。
[0019] 上述技術(shù)方案中，所述根據(jù)數(shù)據(jù)包緩存模塊中的數(shù)據(jù)包緩存信息與數(shù)據(jù)包到達(dá)預(yù) 測信息確定或更新發(fā)送方案控制決策的有效時長包括：
[0020] 根據(jù)數(shù)據(jù)包到達(dá)預(yù)測信息，得到在1。+1時間段內(nèi)即將到達(dá)的數(shù)據(jù)包；其中i。為當(dāng) 前時隙，T p為能量收集狀態(tài)、無線信道狀態(tài)、數(shù)據(jù)包到達(dá)的確切時間、數(shù)據(jù)包的大小與時延 要求均已知的未來一段時間的長度；
[0021] 根據(jù)數(shù)據(jù)包的時延要求，將已緩存的數(shù)據(jù)包及在h+Tp時間段內(nèi)即將到達(dá)的數(shù)據(jù) 包按照其所需發(fā)送完畢的截止期限按照從小到大加以排列；
[0022] 從所述已緩存數(shù)據(jù)包及在iJTp時間段內(nèi)即將到達(dá)的數(shù)據(jù)包中選取截止期限在 i〇+TP的數(shù)據(jù)包；
[0023] 搜索在截止期限后一段時間內(nèi)無數(shù)據(jù)包剩余且無數(shù)據(jù)包到