1.能量收集无线网络中可持续传输需求驱动的多信道功率分配方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)能量收集无线通信系统中发射机根据可持续传输需求设定数据队列指数θD和反转能量队列指数θE;并初始化:拉格朗日乘子λ,更新步长Δ,以及功率统计均值Eμ;其中数据队列指数θD确定如下:可持续传输需求驱动下,数据传输队列存在平稳性约束,即:发射机为尽量减少缓存器中数据溢出,确保数据溢出的概率小于一个目标小的概率:Pr{D>Dth}<ξ
其中,D为当前缓存数据队列长度,Dth为缓存器容量,ξ为目标小的概率;
根据大偏差理论分析,得到数据队列指数:表征了数据传输平稳性约束的强度:θD越大,Pr{D>Dth}随队Dth增大而衰减得越快,即对数据传输的平稳性要求越严格;
反转能量队列指数θE确定如下:
可持续传输需求驱动下,电池能量消耗队列存在平稳性约束,即:发射机为尽量减少电池耗尽情况发生,确保低电量状态出现的概率小于一个目标小的概率:Pr{C<Cth}<∈
其中,C为当前电池剩余电量,Cth为低电量门限,∈为目标小的概率;
利用反转队列技术,以能量消耗为反转能量队列的到达过程,以能量收集作为反转能量队列的离开过程,则反转能量队列的长度为 能量消耗平稳性统计约束等效为:
所得到的反转能量队列是平稳的,根据大偏差理论分析,得到反转能量队列指数:表征了能量消耗平稳性约束的强度:θE越大,Pr{C<Cth}随Cth减少而衰减得越快,即对能量消耗平稳性的要求越严格;
通过以下具体步骤确保数据传输平稳性约束和能量消耗平稳性约束同时满足:在数据传输队列中,根据有效容量理论,为确保数据传输平稳性约束的成立,数据最大恒定到达量须小于数据离开量的有效容量,数据有效容量表达式为:其中,R是传输周期内数据传输队列的离开量,等于N路并行信道传输的总数据量,根据香农容量定理,其计算表达式为:这里,B0是N路并行信道的总带宽,μn是第n路信道的传输功率,γn是第n路信道的参考信噪比,计算如下:其中,L和hn分别为发射机与接收机之间第n路信道的大尺度衰落和小尺度衰落,N0为高斯白噪声功率谱密度;
数据离开量的有效容量Φ(θD)表征了在传输平稳性统计约束下的系统最大吞吐量,因此作为功率分配优化问题的目标量;
在反转能量队列中,根据有效带宽理论,为确保能量消耗平稳性约束,能量消耗过程的有效消耗速率不大于能量收集过程的有效收集速率:Ψ(θE)≤Φ(θE)
其中,有效消耗速率:
这里, 是当前传输周期内发射机能量消耗量,包括建模成电路固定功率消耗和无线传输功率消耗两部分,η是发射机电路固定消耗功率;
有效收集速率:
这里, 是当前传输周期内的能量收集量,在给定环境中,有效收集效率Φ(θE)是一个常数;
式Ψ(θE)≤Φ(θE),确保了能量消耗平稳性约束的成立,作为功率分配优化问题的约束不等式;
因此,在可持续传输驱动下,多信道功率的分配问题建模为:(P1):
s.t.:Ψ(θE)≤Φ(θE)
求解优化问题(P1)的具体过程为等价的两个子优化问题的联立求解:第一阶段,沿时域分配当前传输周期的总传输功率μ:(P2):
s.t.:
其中, 是一个常量, 是当前传输周期内N路信道消耗的总功率,R*(μ)是当前传输周期内最大的归一化总传输速率,由第二阶段问题求解给出;
第二阶段,沿频域分配N路信道的传输功率(P3):
s.t.:
优化问题(P2)和(P3)都是凸优化问题,通过拉格朗日乘子法求解;
2)进入传输周期T,发射机通过接收机反馈得到当前周期下N路信道的状态信息并根据信道好坏排序,获得发射机电池剩余电量信息并限定总传输功率最大值μmax;具体实现方法如下:表征N路信道状态好坏信息的参考信噪比分别为:γ1,γ2,…,γN,按递减顺序依次排列为:γ(1)≥γ(2)≥…≥γ(N),并令γ(0)=+∞,γ(N+1)=0;
当前传输周期剩余电量C所支持的总传输功率最大值μmax的计算式为:
3)在可持续传输需求的驱动下,求解出N路信道所需要的最优总传输功率μ*,传输功率不为0的信道数最优值 并行信道功率分配最优门限 具体实现方法如下:最优总传输功率μ*为凸优化问题(P2)的解,通过拉格朗日乘子法求解,得到计算表达式:其中, 是当前传输周期内传输功率不为0的信道数的最优值, 是归一化数据队列指数, λ是拉格朗日
乘子,函数Ω(x)值是使等式y+log(y)=x成立的y,即:Ω(x)=y;
由于电池剩余电量所支持的最优总传输功率最大值μmax限定,计算表达式调整为:给定一个总传输功率μ,相应的功率不为0的信道数Nk,并行信道功率分配门限γ0由优化问题(P3)的求解得到,确定使优化问题(P2)目标量最小化的最优解μ*, 和 的具体步骤包括:a)初始化Nk=N;
b)计算相应的总传输功率:
c)根据优化问题(P3)的解,计算并行信道功率分配门限:d)若 或者Nk=0成立,执行第e)步;若 不成立,则令Nk=Nk-1并转回执行第b)步;
e)若Nk=0,则μ*=0, 否则μ*=μ,
4)为每路信道分配最优传输功率 发射机以最优传输功率组合向接收机传输 路独立数据流;
5)根据次梯度算法更新拉格朗日乘子λ;
6)进入下一传输周期,重复步骤2)至步骤5),直至完成传输。
2.根据权利要求1所述的能量收集无线网络中可持续传输需求驱动的多信道功率分配方法,其特征在于,步骤4)的具体实现方法如下:N路信道的最优传输功率 是凸优化问题(P3)的解,通过拉格朗日乘子法求解,得到最优解的表达式:
发射机为每路信道分配相应的最优传输功率,且只有 路信道的传输功率大于O,因此发射机只在这些信道上传输 路数据,完成当前传输周期的数据传输。
3.根据权利要求2所述的能量收集无线网络中可持续传输需求驱动的多信道功率分配方法,其特征在于,步骤5)的具体实现方法如下:根据拉格朗日乘子法,优化问题(P2)中的拉格朗日乘子λ须随传输周期迭代更新;首先,更新历史功率统计均值:其次,根据次梯度算法,更新拉格朗日乘子:λ=max{λ+Δ(Eμ-Θ),0}。