能量收集無線網(wǎng)絡(luò)中兼顧緩存及電池可持續(xù)性的數(shù)據(jù)傳輸功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種能量收集無線網(wǎng)絡(luò)中兼顧緩存及電 池可持續(xù)性的數(shù)據(jù)傳輸功率控制方法，用于解決能量收集無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化問 題。
【背景技術(shù)】：
[0002] 隨著能量收集技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)中越來越廣泛的應(yīng)用，保證能量收集無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定 高效的數(shù)據(jù)傳輸顯得越來越重要。能量收集技術(shù)通過從外界環(huán)境中獲取能量對(duì)電池進(jìn)行充 電，達(dá)到對(duì)節(jié)點(diǎn)可持續(xù)的供能要求，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸量相對(duì)較小W及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸功 率相對(duì)較小的情況，比如無線傳感器。運(yùn)種節(jié)點(diǎn)的電池容量W及緩存容量往往是有限的，因 而該無線傳輸節(jié)點(diǎn)受到兩個(gè)相互影響的制約條件的約束。一方面，隨著傳輸節(jié)點(diǎn)需要處理 的信息量的日益增加，其有限的緩存容量往往無法滿足大量的數(shù)據(jù)獲取，因而容易導(dǎo)致數(shù) 據(jù)溢出W及信息的丟失，為了避免運(yùn)種情況的發(fā)生，往往需要通過提升節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸功 率W加快數(shù)據(jù)傳輸速率，減小數(shù)據(jù)在緩存中的滯留。然而，另一方面，由于數(shù)據(jù)傳輸由電池 供能，電池的能量來源于能量收集過程，考慮到能量收集過程的不穩(wěn)定性，無法保證電池能 夠穩(wěn)定的供能，在此情況下，不加限制的提升數(shù)據(jù)傳輸功率會(huì)使得電池有能源耗盡而進(jìn)入 休眠狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)上述問題，在數(shù)據(jù)無溢出W及電池穩(wěn)定供能限制條件下設(shè)計(jì)功率控 制方案使節(jié)點(diǎn)達(dá)到最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0003] 本發(fā)明的目的是提供能量收集無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)滿足數(shù)據(jù)無溢出W及電池 穩(wěn)定供能限制條件的功率控制方法。針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)緩存容量有限同時(shí)能量收集技術(shù)無 法對(duì)電池穩(wěn)定充電的場(chǎng)景，在保證電池能夠穩(wěn)定供能而不會(huì)因?yàn)槟芰亢谋M而進(jìn)入休眠狀態(tài) 的前提下，通過控制數(shù)據(jù)傳輸功率，使節(jié)點(diǎn)能夠達(dá)到最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸，且能夠保證緩存W極 低的概率發(fā)生數(shù)據(jù)溢出。同時(shí)，在只考慮單一因素影響情況下，又引入了=種功率控制方 法，與原策略進(jìn)行比較，原策略在緩存及電池限制條件要求苛刻的情況下能夠很好的實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)的高效傳輸。
[0004] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0005] 能量收集無線網(wǎng)絡(luò)中兼顧緩存及電池可持續(xù)性的數(shù)據(jù)傳輸功率控制方法，包括W 下步驟：
[0006] 1)構(gòu)建支持能量收集的無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸模型，并在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)意義下描述 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸模型中傳輸節(jié)點(diǎn)緩存容量無溢出的限制條件W及基于能量收集功能的可充 電電池穩(wěn)定供能的限制條件；
[0007] 2)設(shè)計(jì)傳輸節(jié)點(diǎn)緩存容量無溢出限制條件下的緩存隊(duì)列模型W及基于能量收集 功能的可充電電池穩(wěn)定供能限制條件下的電池隊(duì)列模型，緩存隊(duì)列模型結(jié)合電池隊(duì)列模型 命名為聯(lián)合隊(duì)列模型；
[0008] 3)基于聯(lián)合隊(duì)列模型所描述的節(jié)點(diǎn)電池中斷概率與緩存溢出概率的可持續(xù)傳輸 要求，建立數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功率控制。
[0009] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述步驟1)的具體步驟包括：
[0010] 1-1)構(gòu)建支持能量收集的無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸模型，具體如下：
[0011] 設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸模型由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及衰落信道組成，具體表達(dá)如下 陽〇1引 yVL& //.4'7:化-如.S
[0013] 其中，X為發(fā)送信號(hào)，其帶寬為B，平均功率為1 ;y為接受信號(hào)；L為定值，用來表示 路徑損耗；h服從平坦瑞利衰落信道模型，h在每一個(gè)長(zhǎng)度為T的帖中都是定值，在不同的帖 之間是隨機(jī)變量；Z為接收端的加性高斯白噪聲，其功率譜密度函數(shù)為定值，用N。表示；丫 定義為參考信噪比，表示為丫=LihIVBN。，利用丫描述接收機(jī)通過分析信道狀況而反饋 給發(fā)射機(jī)的信息，發(fā)射機(jī)利用接受到的反饋信息，根據(jù)其中包含的參考信噪比信息來進(jìn)行 數(shù)據(jù)傳輸功率調(diào)控，y表示數(shù)據(jù)傳輸功率；
[0014] 1-2)在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)意義下描述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸模型中傳輸節(jié)點(diǎn)緩存容量無溢出的限 制條件，具體如下：
[0015] 傳輸節(jié)點(diǎn)緩存中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)量0W小概率大于傳輸節(jié)點(diǎn)緩存容量Bth,具體描述 如下：
[0016] PH0>BJ<C
[0017] 其中，C為設(shè)定的概率Pr{e〉Bj的口限值，定義為：要求緩存溢出概率；
[0018] 在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)意義下描述基于能量收集功能的可充電電池穩(wěn)定供能的限制條件，具 體如下：
[0019] 假設(shè)電池中的剩余能量為a，目標(biāo)是控制aW無窮小的概率低于電池閥值Cth,具 體的數(shù)學(xué)描述如下：
[0020] Pr{日 <CJ<e
[0021] 其中，e為設(shè)定的概率PHa<CJ的口限值，定義為：要求電池耗盡概率；假設(shè)電 池容量為C。，當(dāng)電池能量被消耗殆盡，直至下限Cth時(shí)，認(rèn)為電池進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)電池?zé)o 法向發(fā)射機(jī)穩(wěn)定供電，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)中的數(shù)據(jù)滯留。
[0022] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)中，設(shè)計(jì)傳輸節(jié)點(diǎn)緩存容量無溢出限制條件下 的緩存隊(duì)列模型，具體如下：
[0023] 緩存隊(duì)列模型中每一帖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量RT表示為隊(duì)列的離開過程，該離開過程隨 機(jī)且與隊(duì)列到達(dá)過程不相關(guān)，數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)意義下，緩存的數(shù)據(jù)輸出速率大于數(shù)據(jù)輸入速率，認(rèn) 為緩存隊(duì)列穩(wěn)定，定義在緩存容量無溢出限制條件下的緩存最大數(shù)據(jù)到達(dá)速率為：
[0024]
陽02引 其中：
[0027] 將其定義為緩存服務(wù)質(zhì)量指數(shù)，反映了緩存溢出概率；其中由該式看出，當(dāng)0D趨 近于0,緩存的溢出概率為1，對(duì)緩存不存在控制溢出的限制，此時(shí)有效容量退化為緩存平 均數(shù)據(jù)輸出速率；
[0028]另外，根據(jù)香農(nóng)信道容量定理，定義在緩存容量無溢出限制條件下的緩存最大數(shù) 據(jù)離開速率：
[0029] R=Blog(l+y丫）nats/s
[0030] 設(shè)計(jì)基于能量收集功能的可充電電池穩(wěn)定供能限制條件下的電池隊(duì)列模型，具體 如下：
[0031] 設(shè)電池的能量收集過程為隊(duì)列的離開過程，電池的能量消耗過程為電池的到達(dá) 過程，則電池逆向隊(duì)列為穩(wěn)定的隊(duì)列，數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)意義下的電池穩(wěn)定供能限制條件重新表示
[0035] 將其定義為能量指數(shù)，能量指數(shù)的大小反映了電池?zé)o法穩(wěn)定供能的概率；當(dāng)能量 指數(shù)趨于無窮大時(shí)，系統(tǒng)要求電池不存在無法穩(wěn)定供能的狀態(tài)，當(dāng)能量指數(shù)趨于無窮小時(shí)， 系統(tǒng)對(duì)電池穩(wěn)定供能不提出要求，此時(shí)電池W趨近于1的概率進(jìn)入休眠狀態(tài)。
[0036] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，要達(dá)到電池的穩(wěn)定供能且W趨于無窮小的概率進(jìn)入休 眠狀態(tài)，要求在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)意義下，電池從外界環(huán)境收集的能量大于數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)消耗的能 量，該限制條件表示為：
[0037] 番辯I)S帶鱗)
[0038] 其中，有效容量表示下的電池隊(duì)列到達(dá)過程如下：
[0039] 在電池逆向隊(duì)列中，由有效容量定義，逆向隊(duì)列到達(dá)過程表示為：
[0040]
[0041] 將其定義為電池能量的有效收集速率，其中，9 ===鷄;設(shè)電池每一帖收集到的能量 記為其等于K的概率為夢(mèng)，等于0的概率為I-K;
[0042] 有效帶寬表示下的電池隊(duì)列離開過程如下：
[0043] 在電池逆向隊(duì)列中，由有效帶寬的定義，逆向隊(duì)列的離開過程表示為：
[0044]
[0045] 將其定義為電池能量的有效消耗速率，其中，巧;設(shè)電池每一帖消耗的功率記 為私表達(dá)為如下形式：
[0046]
[0047] 其中n為維持發(fā)射機(jī)正常工作的功率，為定值；y為數(shù)據(jù)傳輸功率，是TW及e 的函數(shù)。
[0048] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，對(duì)于穩(wěn)定的緩存隊(duì)列模型及電池隊(duì)列模型，引入描述 隊(duì)列違反概率的統(tǒng)計(jì)模型，當(dāng)隊(duì)列的到達(dá)W及離開過程不相關(guān)且隊(duì)列穩(wěn)定，在設(shè)定的隊(duì)列 閥值的情況下，隊(duì)列的違反概率表示為如下公式：
[0050] 其中Qth為設(shè)定隊(duì)列閥值，0值的確定如下：
[0051]巫（0 ) = 1]) ( 0 ) 陽05引其中：
[0053]
[0054]其中對(duì)一個(gè)確定的0，4定義為有效帶寬，代表隊(duì)列到達(dá)過程已知的情況下最小 的恒定服務(wù)速率，O定義為有效容量，代表在隊(duì)列離開過程已知情況下隊(duì)列最大的恒定到 達(dá)速率，Qm及QUUt分別定義