本發(fā)明涉及一種無線通信系統(tǒng)供電的資源分配方法，特別是涉及一種采用多個可再生能源聯(lián)合供電和發(fā)射端數(shù)據(jù)共享的多用戶無線通信系統(tǒng)及其資源分配方法。

背景技術(shù)：
隨著各類可再生能源收集技術(shù)和可充電電池技術(shù)的發(fā)展，可再生能源的收集和存儲效率都大大提高，使得利用可再生能源直接為無線通信系統(tǒng)供給電能成為可能。通常，可再生能源可以來源于太陽能、風(fēng)能、溫度差、物理震動等物理形式；通過匹配的能量轉(zhuǎn)換器件，這些能源首先被轉(zhuǎn)化為電能，暫時存儲在可充電的電池中，然后通過可充電電池放電，從而供應(yīng)給無線通信系統(tǒng)的發(fā)射端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。相對于現(xiàn)代電力系統(tǒng)中大規(guī)模的利用風(fēng)能、太陽能為電力網(wǎng)絡(luò)供電，由于部分無線通信系統(tǒng)的供電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換器件數(shù)量較少、能源供給種類差別大，其收集的能量在時間和空間維度的變化都很大。一般而言，利用可再生能源供電的電池提供的電能是隨時間而劇烈變化的，并且這種變化通常不可預(yù)知。那么，如何設(shè)計一種高效、通用的資源分配算法是該系統(tǒng)設(shè)計所面臨的核心問題。另一方面，在傳統(tǒng)的多用戶無線通信系統(tǒng)中，多個發(fā)射端是獨立的，多個發(fā)射端之間并沒有發(fā)射能量和數(shù)據(jù)的交換。當(dāng)考慮發(fā)射端通過回程通路(Backhaul，即容量受限的有線數(shù)據(jù)通路)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，多個發(fā)射端之間可以協(xié)調(diào)傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射速率和發(fā)射方法，可以利用多個發(fā)射端的發(fā)射分集來提高傳輸速率、傳輸?shù)姆€(wěn)定性、以及降低發(fā)射功率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種共享可再生能源和數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)及其資源分配方法，兩個發(fā)射端通過數(shù)據(jù)通路共享發(fā)射信息后，儲能控制模塊在可再生能源供電的限制下最大化兩個發(fā)射端的傳輸速率的線性加權(quán)值，并對兩個發(fā)射端進(jìn)行合理地資源分配，提高發(fā)射端的數(shù)據(jù)傳輸效率，降低發(fā)射端的發(fā)射功率。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種共享可再生能源和數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)，它包括發(fā)射端A、發(fā)射端B、儲能控制單元和多個可再生能源，儲能控制單元通過電力線分別與多個可再生能源連接，儲能控制單元存儲多個可再生能源提供的電能并控制電能輸出，儲能控制單元的電能輸出通過電力線與發(fā)射端A和發(fā)射端B連接，發(fā)射端A與發(fā)射端B通過數(shù)據(jù)通路連接并交換共享數(shù)據(jù)信息，以便提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，降低發(fā)射功率。所述的儲能控制單元包括可充電電池、充電電路、放電電路和控制模塊，充電電路把可再生能源輸出的電能向可充電電池充電，可充電電池通過放電電路向發(fā)射端A和發(fā)射端B供電，控制模塊對充電電路和放電電路進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)視可充電電池的狀態(tài)，調(diào)整向發(fā)射端A與發(fā)射端B功率輸出。所述的數(shù)據(jù)通路為通信線纜或電力線纜。所述的數(shù)據(jù)信息包括公共信息和私有信息，所述的公共信息為發(fā)射端A與發(fā)射端B所發(fā)射的信息中相同的部分，私有信息為發(fā)射端A與發(fā)射端B所發(fā)射的信息中不同的部分。一種共享可再生能源和數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)的資源分配方法，它包括以下一個或多個步驟：S1：初始化系統(tǒng)參數(shù)，包括：當(dāng)前時刻所有可再生能源所提供的最大發(fā)射總功率P0，最大化發(fā)射端A和發(fā)射端B發(fā)射速率的權(quán)值μ1和μ2，且μ1≥0、μ2≥0，發(fā)射端A向發(fā)射端B傳輸數(shù)據(jù)的信道容量C12，發(fā)射端B向發(fā)射端A傳輸數(shù)據(jù)的信道容量C21，發(fā)射端A向接收端傳輸數(shù)據(jù)的信道增益h1，發(fā)射端B向接收端傳輸數(shù)據(jù)的信道增益h2，且定義發(fā)射端A的信道增益h1大于或等于發(fā)射端B的信道增益h2，即h1≥h2；S2：根據(jù)S1中定義的各個參數(shù)，計算發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r1和發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r2；S3：發(fā)射端A和發(fā)射端B通過容量有限的有線數(shù)據(jù)通路進(jìn)行數(shù)據(jù)信息共享，發(fā)射端A以速率min(r1，C12)傳輸信息給發(fā)射端B，發(fā)射端B以速率min(r2，C21)傳輸信息給發(fā)射端A，比較信息交換后的兩個發(fā)射端的數(shù)據(jù)信息，得到兩者的相同部分和不同部分，即兩者的公共信息和私有信息；S4：根據(jù)發(fā)射端A和發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率，計算發(fā)射端A發(fā)射公共部分信息所需的發(fā)射功率P1c和發(fā)射私有部分信息所需的發(fā)射功率P1p，計算發(fā)射端B發(fā)射公共部分信息所需的發(fā)射功率P2c和發(fā)射私有部分信息所需的發(fā)射功率P2p；S5：儲能控制單元根據(jù)發(fā)射端A和發(fā)射端B所需的發(fā)射功率進(jìn)行資源分配，分配給發(fā)射端A的發(fā)射功率為P1，分配給發(fā)射端B的發(fā)射功率為P2，且發(fā)射端A的發(fā)射功率P1和發(fā)射端B的發(fā)射功率P2滿足的關(guān)系式如下：步驟S2所述的發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r1和發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r2的計算步驟包括以下子步驟：S20：定義函數(shù)g(x，y)如下：S21：當(dāng)發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率的權(quán)值μ1大于發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率的權(quán)值μ2，即當(dāng)μ1/μ2＞1時，定義常數(shù)R2的計算公式為：發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r1和發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r2的計算公式如下：S22：當(dāng)發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率的權(quán)值μ1小于發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率的權(quán)值μ2，即當(dāng)μ1/μ2＜1時，定義常數(shù)R1的計算公式為：發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r1和發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r2的計算公式如下：S23：當(dāng)發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率的權(quán)值μ1等于發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率的權(quán)值μ2，即當(dāng)μ1/μ2＝1時；如果0≤P0≤g(C12,C21)，則數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r1和數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r2滿足下列關(guān)系式中的任何一組，所述的關(guān)系式如下：如果P0>g(C12,C21)，則數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r1和數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r2滿足：當(dāng)h1＞h2，那么并且r2＝C21；當(dāng)h1＝h2，那么r1和r2為滿足下列關(guān)系式中的任何一組：步驟S4所述的發(fā)射端A發(fā)射公共部分信息所需的發(fā)射功率P1c的計算公式為：步驟S4所述的發(fā)射端A發(fā)射私有部分信息所需的發(fā)射功率P1p的計算公式為：步驟S4所述的發(fā)射端B發(fā)射公共部分信息所需的發(fā)射功率P2c的計算公式為：步驟S4所述的發(fā)射端B發(fā)射私有部分信息所需的發(fā)射功率P2p的計算公式為：本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過一種由多個可再生能源聯(lián)合供電且發(fā)射端進(jìn)行數(shù)據(jù)共享的無線通信系統(tǒng)，并根據(jù)一種高效而簡單的資源分配方法，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到接收端，本發(fā)明提高了發(fā)射端的數(shù)據(jù)傳輸效率，降低了發(fā)射端的發(fā)射功率，提高無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本發(fā)明對于給定的任意時刻的可再生能源提供的總功率，計算發(fā)射端的發(fā)射信息速率，通過發(fā)射端的發(fā)射信息速率求得公共信息發(fā)射功率和私有信息發(fā)射功率，最后通過儲能控制單元給兩個發(fā)射端分配適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率。本發(fā)明方法不需要可再生能源提供能量的時間維度上變化的統(tǒng)計信息，易于工程實現(xiàn)，并且具有穩(wěn)定的、高效的性能。附圖說明圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖；圖2為本發(fā)明資源分配方法流程圖；圖3為本發(fā)明資源分配方法與其它多種能量收集方法的仿真結(jié)果對比圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述。如圖1所示，一種共享可再生能源和數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)，它包括發(fā)射端A、發(fā)射端B、儲能控制單元和多個可再生能源，儲能控制單元通過電力線分別與多個可再生能源連接，儲能控制單元存儲多個可再生能源提供的電能并控制電能輸出，儲能控制單元的電能輸出通過電力線與發(fā)射端A和發(fā)射端B連接，發(fā)射端A與發(fā)射端B通過數(shù)據(jù)通路連接并交換共享數(shù)據(jù)信息，以便提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，降低發(fā)射功率。所述的可再生能源(英語：RenewableEnergy)為來自大自然的能源，它包括太陽能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等，是取之不盡，用之不竭的能源，它們在自然界可以循環(huán)再生。所述的儲能控制單元包括可充電電池、充電電路、放電電路和控制模塊，充電電路把可再生能源輸出的電能向可充電電池充電，可充電電池通過放電電路向發(fā)射端A和發(fā)射端B供電，控制模塊對充電電路和放電電路進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)視可充電電池的狀態(tài)，調(diào)整向發(fā)射端A與發(fā)射端B的功率輸出。所述的數(shù)據(jù)通路為通信線纜或電力線纜。所述的數(shù)據(jù)信息包括公共信息和私有信息，所述的公共信息為發(fā)射端A與發(fā)射端B所發(fā)射的信息中相同的部分，私有信息為發(fā)射端A與發(fā)射端B所發(fā)射的信息中不同的部分。所述的發(fā)射端A和發(fā)射端B還通過無線的數(shù)據(jù)通路向接收端發(fā)射數(shù)據(jù)信息。如圖2所示，一種共享可再生能源和數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)的資源分配方法，它包括以下一個或多個步驟：S1：初始化系統(tǒng)參數(shù)，包括：當(dāng)前時刻所有可再生能源所提供的最大發(fā)射總功率P0，最大化發(fā)射端A和發(fā)射端B發(fā)射速率的權(quán)值μ1和μ2，且μ1≥0、μ2≥0，發(fā)射端A向發(fā)射端B傳輸數(shù)據(jù)的信道容量C12，發(fā)射端B向發(fā)射端A傳輸數(shù)據(jù)的信道容量C21，發(fā)射端A向接收端傳輸數(shù)據(jù)的信道增益h1，發(fā)射端B向接收端傳輸數(shù)據(jù)的信道增益h2，且定義發(fā)射端A的信道增益h1大于或等于發(fā)射端B的信道增益h2，即h1≥h2；S2：根據(jù)S1中定義的各個參數(shù)，計算發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r1和發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r2；S3：發(fā)射端A和發(fā)射端B通過容量有限的有線數(shù)據(jù)通路進(jìn)行數(shù)據(jù)信息共享，發(fā)射端A以速率min(r1，C12)傳輸信息給發(fā)射端B，發(fā)射端B以速率min(r2，C21)傳輸信息給發(fā)射端A，比較信息交換后的兩個發(fā)射端的數(shù)據(jù)信息，得到兩者的相同部分和不同部分，即兩者的公共信息和私有信息；S4：根據(jù)發(fā)射端A和發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率，計算發(fā)射端A發(fā)射公共部分信息所需的發(fā)射功率P1c和發(fā)射私有部分信息所需的發(fā)射功率P1p，計算發(fā)射端B發(fā)射公共部分信息所需的發(fā)射功率P2c和發(fā)射私有部分信息所需的發(fā)射功率P2p；S5：儲能控制單元根據(jù)發(fā)射端A和發(fā)射端B所需的發(fā)射功率進(jìn)行資源分配，分配給發(fā)射端A的發(fā)射功率為P1，分配給發(fā)射端B的發(fā)射功率為P2，且發(fā)射端A的發(fā)射功率P1和發(fā)射端B的發(fā)射功率P2滿足的關(guān)系式如下：步驟S2所述的發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r1和發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r2的計算步驟包括以下子步驟：S20：定義函數(shù)g(x，y)如下：S21：當(dāng)發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率的權(quán)值μ1大于發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率的權(quán)值μ2，即當(dāng)μ1/μ2＞1時，定義常數(shù)R2的計算公式為：發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r1和發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r2的計算公式如下：S22：當(dāng)發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率的權(quán)值μ1小于發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率的權(quán)值μ2，即當(dāng)μ1/μ2＜1時，定義常數(shù)R1的計算公式為：發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r1和發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r2的計算公式如下：S23：當(dāng)發(fā)射端A的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率的權(quán)值μ1等于發(fā)射端B的數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率的權(quán)值μ2，即當(dāng)μ1/μ2＝1時；如果0≤P0≤g(C12,C21)，則數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r1和數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r2滿足下列關(guān)系式中的任何一組，所述的關(guān)系式如下：如果P0>g(C12,C21)，則數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r1和數(shù)據(jù)信息發(fā)射速率r2滿足：當(dāng)h1＞h2，那么并且r2＝C21；當(dāng)h1＝h2，那么r1和r2為滿足下列關(guān)系式中的任何一組：步驟S4所述的發(fā)射端A發(fā)射公共部分信息所需的發(fā)射功率P1c的計算公式為：步驟S4所述的發(fā)射端A發(fā)射私有部分信息所需的發(fā)射功率P1p的計算公式為：步驟S4所述的發(fā)射端B發(fā)射公共部分信息所需的發(fā)射功率P2c的計算公式為：步驟S4所述的發(fā)射端B發(fā)射私有部分信息所需的發(fā)射功率P2p的計算公式為：本發(fā)明資源分配方法里所述的計算公式，均以定義發(fā)射端A向接收端傳輸數(shù)據(jù)的信道增益h1大于或等于發(fā)射端B向接收端傳輸數(shù)據(jù)的信道增益h2為前提，即在兩個發(fā)射端中，若其中一個發(fā)射端向接收端傳輸數(shù)據(jù)的信道增益大于或等于另一個發(fā)射端向接收端傳輸數(shù)據(jù)的信道增益，那么定義這一個發(fā)射端為發(fā)射端A，定義另一個發(fā)射端為發(fā)射端B。本發(fā)明在可再生能源供電的限制下，通過選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳輸速率和發(fā)射功率，最大化兩個發(fā)射端的傳輸速率的線性加權(quán)值，對兩個發(fā)射端進(jìn)行合理地資源分配。本發(fā)明系統(tǒng)由多個可再生能源通過儲能控制單元聯(lián)合為發(fā)射端供電，通過兩個發(fā)射端的有線數(shù)據(jù)通路Backhaul共享數(shù)據(jù)信息，并形成兩個發(fā)射端的公共信息，對于給定的可再生能源總能量，只需確定兩個發(fā)射端的信息發(fā)射速度權(quán)值，再計算發(fā)射端的發(fā)射信息速率，通過發(fā)射端的發(fā)射信息速率求得公共信息發(fā)射功率和私有信息發(fā)射功率，最后通過儲能控制單元給兩個發(fā)射端分配適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率。下面通過本發(fā)明所提出的資源分配方法與其他幾種通信系統(tǒng)中常見的用于能量收集的方法的比較，來證明本發(fā)明方法的有效性。常見的用于能量收集的方法有OptimalOffline算法(最優(yōu)離線算法)、On－off功率控制算法以及Passive功率控制算法。OptimalOffline算法(最優(yōu)離線算法)：該算法假設(shè)可再生能源提供的最大發(fā)射總功率P0在所考慮的時間內(nèi)全部已知，從而可以通過可充電電池平衡各個時刻的總發(fā)射功率。On－off功率控制算法：可再生能源提供的能量先儲存在可充電電池中，當(dāng)儲存的能量超過預(yù)設(shè)門限γ的時候，就使用γ總功率給兩個發(fā)射端供電。一般的γ是對可再生能源提供能量的均值E的估計。定義α＝γ/E為一個偏差因子，代表對該均值的估計準(zhǔn)確程度：當(dāng)α＝1時估計沒有誤差；當(dāng)α越遠(yuǎn)離1時代表誤差越大。Passive功率控制算法：把當(dāng)前可充電電池中的能量均勻分配給未來的若干個時刻。比較以上的算法可以看出：本發(fā)明提出的方法和Passive算法都不需要可再生能源提供的功率的任何統(tǒng)計信息；Optimaloffline算法要求精確知道未來所有時刻的能量信息，而On－off算法需要知道到達(dá)能量的平均值。在實際通信系統(tǒng)中，對可再生能源能提供功率的任何統(tǒng)計信息都必須進(jìn)行估計，而估計必定存在誤差，這些誤差會給算法引入系統(tǒng)性的誤差降低系統(tǒng)性能。由圖3所示，多種資源分配和能量收集方法的仿真結(jié)果，比較了各個算法的性能。在平均能量到達(dá)率較大的時候，例如大于6J的時候，本發(fā)明所提出的算法(即圖中的GreedyScheme算法)比其他的Online算法性能都好，比最優(yōu)的Offline算法的性能損失也較??；在平均能量到達(dá)率較小時，相對于性能較好的On－off算法，本發(fā)明所提出的算法更穩(wěn)定，不受對到達(dá)能量的平均值估計誤差的影響而存在較大的性能損失，而On－off算法在存在較大均值估計誤差的時候性能損失較多而沒有本發(fā)明所提出的算法性能好。本發(fā)明通過一種由多個可再生能源聯(lián)合供電且發(fā)射端進(jìn)行數(shù)據(jù)共享的無線通信系統(tǒng)，并根據(jù)一種高效而簡單的資源分配算法，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到接收端，本發(fā)明提高了發(fā)射端的數(shù)據(jù)傳輸效率，降低了發(fā)射端的發(fā)射功率，提高無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。