[发明专利]一种能量收集通信系统功率及速率在线联合控制方法

说明书

本发明公开了一种基于Raptor码的能量收集通信系统功率及速率在线联合控制方法。针对结合Raptor码的点对点能量收集无线通信系统，在能量到达和信道状态的随机变化条件下，给出一种以最大化长期平均可达传输速率为目标的、在可用能量约束下的发送功率、调制方式和码字长度的联合控制方法，进一步利用Lyapunov优化框架将优化问题转化为“漂移加惩罚”最小化的单时隙优化问题。然后最后给出一种低复杂度的求解方法。本发明仅依赖于当前的电池状态和信道状态信息做出决策，并采用Raptor编码及自适应调制技术进行传输，实际通信速率更加逼近信道容量，是一种高效的、低复杂度、实用性强的方法。

技术领域

本发明涉及信息通信领域，具体是涉及采用收集能量供电的通信系统的发送功率、调制方式，码字长度联合控制方法。

背景技术

无线通信网络规模不断扩大，导致传输系统对电力的需求量不断增加。为应对日益严峻的能源消耗问题，利用可再生能源为通信设备供电将是今后通信系统和网络发展的重要方向。能量收集(EH,energy harvesting)指通信网络中的节点从自然环境中收集能量(如太阳能、风能、热能等)并转化为电能用于信息的传输。由于环境能量源的不稳定性，能量收集设备可收集的能量具有随机性和不确定性，引入能量收集技术的通信系统需要设计合理的能量调度和分配算法，充分利用信道及能量资源，保证系统持久稳定运行。现有的相关研究文献中，根据发送端是否可提前获知信息传输过程中的能量到达、信道状态，可以将能量收集通信系统中的能量调度策略分为离线调度策略和在线调度策略两类。

离线管理策略应用于事先知道收集的能量、信道状态等信息的情况。虽然这一假设缺乏合理性，但离线策略能获得优越的性能，因而常被作为评估其他策略性能的上界。文献[Wang Zhe,Aggarwal V,Wang Xiaodong.Iterative dynamic water-filling forfading multiple-access channels with energy harvesting[J].IEEE Journal ofSelected Areas in Communications,2015,33(3):382-395.]研究了能量收集的多用户多址接入系统中的能量调度算法，在已知多个时隙的信道状态和能量收集状态条件下，采用迭代动态注水算法，最大化每个时隙的和速率。与离线控制算法不同，在线算法主要依赖于能量和数据到达、信道衰落等的统计信息，以及当前和过去的系统状态做出决策。Lyapunov优化技术是一种在控制论中被广泛应用的优化方法，该方法在应用中不需要知道系统状态的统计特性，而是根据当前的系统状态做出决策，是一种非常具有实用性的优化方法。用Lyapunov方法求解包含约束的优化问题时，可以根据约束条件构造虚队列，通过使虚队列漂移最小化来保持虚队列长期时间意义上的稳定，间接地满足约束条件；而优化的目标则作为惩罚项，将其与队列漂移一起构造“队列漂移加惩罚”作为优化的目标函数，通过最小化目标函数，在达到长期时间平均意义下队列的稳定的同时实现目标的优化。该方法将长期时间平均的优化问题转化成单时隙优化问题，并可减少约束条件，优化问题求解的复杂度大大降低。文献[AMIMAVAEI F,DONG M.Online power control optimization forwireless transmission with energy harvesting and storage[J].IEEE Transactionson Wireless Communications,2016,15(7):4888-4901.]针对源节点由EH装置供电的点对点通信系统，为最大化长期平均速率，提出一种利用Lyapunov优化框架的在线功率控制算法。将电池电量约束转化为虚队列稳定，需要最大化的传输速率的负数作为惩罚项，构建“漂移加惩罚”，通过最小化其上界，在保持电池电量稳定的同时最大化传输速率。