基于能量共享的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配算法設(shè)計(jì)

王雪瑋，李保罡，郭丹丹，姚源斌

（華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北保定071003）

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前移動(dòng)通信的LTE標(biāo)準(zhǔn)中的幾種關(guān)鍵技術(shù)之一。據(jù)報(bào)道，包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的整個(gè)信息通信行業(yè)的能耗占全球二氧化碳排放量的2%。而以往對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，只注重追求系統(tǒng)容量和頻譜效率的提高。隨著全球環(huán)境形勢(shì)日益嚴(yán)峻，加強(qiáng)可再生能量的使用和管理，提高系統(tǒng)能量效率（Energy Efficiency，EE）逐漸成為無線通信的研究熱點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，其可持續(xù)發(fā)展問題非常值得關(guān)注[1]。近年來人們考慮采用可再生能量（例如太陽能、風(fēng)能等）為無線通信節(jié)點(diǎn)供能。

然而，由于可再生能量自身不穩(wěn)定性，電池容量有限，難以估計(jì)與優(yōu)化無線通信業(yè)務(wù)傳輸中的能量使用[2]。一旦出現(xiàn)能量枯竭使得傳輸中斷，可能導(dǎo)致監(jiān)控場(chǎng)景的重要信息無法及時(shí)傳達(dá)，也可能導(dǎo)致蜂窩網(wǎng)覆蓋空洞，嚴(yán)重影響服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）。因此，可再生能量和傳統(tǒng)電網(wǎng)共存技術(shù)應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫。

將可再生能量應(yīng)用于無線通信，始于對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究[3-9]。文獻(xiàn)[3]考慮用最優(yōu)在線策略動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制帶有能量捕獲傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)[4]考慮在線性近似法和單用戶情況下的能量管理策略。文獻(xiàn)[5]提供了一種改進(jìn)的背壓法控制能量序列的使用。在文獻(xiàn)[6]中，通過對(duì)時(shí)隙的約束，得出基于能量捕獲系統(tǒng)的吞吐量最大的功率分配。在文獻(xiàn)[7-8]中，通過使用與微積分方法相似的幾何架構(gòu)解決能量捕獲系統(tǒng)中的傳輸完成時(shí)間的最小化問題。文獻(xiàn)[9]考慮在帶有能量存儲(chǔ)約束條件的能量捕獲系統(tǒng)中吞吐量最大化問題。

與此同時(shí)，電網(wǎng)能源消耗最小化也是近幾年對(duì)無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵需求之一[10]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有捕獲能量時(shí)，也可以有效的減少傳統(tǒng)電網(wǎng)負(fù)載。但是，由于可再生能量具有隨機(jī)性，在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)用戶的QoS也許是不確定的，這就要求有穩(wěn)定的能量來進(jìn)行補(bǔ)充。近年來，在無線通信系統(tǒng)中可再生能量和傳統(tǒng)電網(wǎng)共存作為一個(gè)很有發(fā)展前景的技術(shù)，可以同時(shí)確保用戶的QoS要求和傳統(tǒng)電網(wǎng)能量消耗最小的目標(biāo)[11]。為提升能量效率，文獻(xiàn)[12-14]提出了無線系統(tǒng)能量合作架構(gòu)。

縱觀國內(nèi)外現(xiàn)有的研究，近年來對(duì)基于可再生能源的無線通信研究已取得了一些進(jìn)展，但仍存在以下待研究的問題：

1）有機(jī)協(xié)調(diào)可再生能源和傳統(tǒng)電網(wǎng)能源可以更有效的保證傳輸質(zhì)量，同時(shí)使用電力線共享能量，保證傳輸效率提高，減少傳統(tǒng)電網(wǎng)能耗。

2）信號(hào)處理模塊的能耗也不容小覷。

3）多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的能量交互使用值得深入探討。

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新如下：在可再生能源和傳統(tǒng)電網(wǎng)共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下，提出基于能量共享的定向注水算法，以包含信號(hào)處理耗能的系統(tǒng)能量效率為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行性能分析。

1 系統(tǒng)模型

本文考慮的系統(tǒng)模型如圖1所示，系統(tǒng)由可再生能量與傳統(tǒng)電網(wǎng)同時(shí)供能的宏蜂窩和僅由可再生能量供能的小蜂窩構(gòu)成。假設(shè)系統(tǒng)在一段時(shí)間Tf中傳輸業(yè)務(wù)。將Tf分成有限的N個(gè)時(shí)隙，包括宏蜂窩基站發(fā)送端已知傳輸比特?cái)?shù)量Bi,1≤i≤N，捕獲能量存放在容量為Emax的電池中。采用塊衰落（blocking fading）信道模型，即信道狀態(tài)在每個(gè)時(shí)隙中保持恒定，但在時(shí)隙間獨(dú)立變化，設(shè)時(shí)隙中的參考信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）為γi，服從Rayleigh分布，其概率密度函數(shù)是

其中是平均參考SNR。

假設(shè)初始時(shí)刻電池存儲(chǔ)的能量為E0，并且在每一時(shí)隙開始時(shí)捕獲能量Ei，i=1,...,N-1。發(fā)射功率pi由可再生能量和傳統(tǒng)電網(wǎng)能量構(gòu)成。

2 能量效率最大問題

本文考慮的是基于能量共享的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)功率分配，宏蜂窩基站會(huì)根據(jù)用戶業(yè)務(wù)量的大小將一部分可再生能量傳輸給小蜂窩基站，使得注水式功率分配方案具有定向性，從而使整個(gè)系統(tǒng)能量效率達(dá)到最大。

圖1 系統(tǒng)模型

在發(fā)射功率、電池容量和非負(fù)功率等約束條件下，求EE最值問題，該問題描述如下：

其中：

n=1指宏蜂窩的功率消耗，n=2指小蜂窩的功率消耗。式（3）表示系統(tǒng)在任一時(shí)刻消耗的總功率，包括信號(hào)處理過程耗能和傳輸數(shù)據(jù)需求的能量；

式中，1表示宏蜂窩，2表示小蜂窩。式（4）表示整個(gè)系統(tǒng)吞吐量。

上述優(yōu)化問題是一個(gè)凸優(yōu)化問題[15]，根據(jù)文獻(xiàn)[16]，利用dinkelbach算法和KKT優(yōu)化條件求解，可以獲得用拉格朗日因子表示的唯一的最優(yōu)功率水平為

3 仿真結(jié)果

在這部分，與文獻(xiàn)[2]提出二階注水算法比較并分析。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下設(shè)置仿真參數(shù)，最大發(fā)射功率為33dBm，對(duì)于每個(gè)參數(shù)設(shè)置都需要經(jīng)1 000次蒙特卡羅模擬來驗(yàn)證性能。

平均電網(wǎng)消耗和需要發(fā)送的比特?cái)?shù)的關(guān)系如圖2所示。如圖2所示，可知具有能量共享的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能要優(yōu)于基于兩級(jí)注水算法的非合作系統(tǒng)性能。因?yàn)樵谟邢薜臅r(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，具有能量共享的定向注水算法能更好地利用可再生能量和蜂窩間的合作。

同時(shí)，也可以驗(yàn)證可再生能量電池容量對(duì)系統(tǒng)性能的影響，如圖3所示。如圖3所示，描述了電池容量和傳統(tǒng)電網(wǎng)能量消耗之間的關(guān)系，較大的電池容量可以讓基于定向注水算法的功率分配更靈活，從而基于能量共享蜂窩系統(tǒng)可以消耗更少的傳統(tǒng)電網(wǎng)能量。

圖2 傳輸比特?cái)?shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)消耗的關(guān)系

4 結(jié)論

圖3 電池容量與傳統(tǒng)電網(wǎng)消耗的關(guān)系

本文分析了可再生能量與傳統(tǒng)電網(wǎng)共存的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)能量共享系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于能量共享的定向注水算法，用于對(duì)此系統(tǒng)能量效率目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，從而實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)功率分配。仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的定向注水算法根據(jù)捕獲能量的多少進(jìn)行能量共享配置，基于能量共享的定向注水算法，其性能在電池容量配置等方面優(yōu)于兩級(jí)注水算法。由于可再生能量的因果約束和各個(gè)時(shí)隙的信道狀態(tài)都是不可預(yù)知的，可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)一種性能次優(yōu)的在線算法。

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