基于能量獲取的綠色通信系統(tǒng)的高效能量管理.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求與消耗日益嚴(yán)峻。而在通信產(chǎn)業(yè)，隨著從環(huán)境直接獲取能量技術(shù)的不斷發(fā)展和趨向成熟，如何高效地利用從環(huán)境中獲取的有限的能量，逐漸引起了人們的普遍關(guān)注。
　　為實(shí)現(xiàn)綠色通信，充分使用從環(huán)境中獲取的能量則為重要途徑之一。本文將在此背景下，研究具有能量獲取能力的綠色通信系統(tǒng)的能量管理問(wèn)題。通常情況下，該能量管理主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：在有限能量條件下以性能提升為目的的優(yōu)化（通常對(duì)通信設(shè)備，如發(fā)射機(jī)等）；以

2、及在總能量需求一定條件下以傳統(tǒng)能量消耗降低為目的的優(yōu)化（通常對(duì)通信設(shè)施，如基站等）。對(duì)于本文考慮的綠色通信系統(tǒng)，其消耗的能量全部或大部分通過(guò)能量獲取設(shè)備從環(huán)境中獲得，并配備緩沖電池以提高系統(tǒng)的可靠性。此外，我們假設(shè)該系統(tǒng)具有一定的能量管理能力以及一定的數(shù)據(jù)計(jì)算能力。基于該模型，我們首先針對(duì)無(wú)線發(fā)射機(jī)在不同時(shí)隙內(nèi)、不同用戶間進(jìn)行能量分配，使系統(tǒng)容量得到最大化，從而實(shí)現(xiàn)有限能量條件下的最優(yōu)通信性能的實(shí)現(xiàn)；另一方面，我們針對(duì)無(wú)線通信設(shè)施，與智

3、能電網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)分布式能源的供給管理以及對(duì)無(wú)線通信設(shè)施能源需求的部分控制，在用戶需求完全得到滿足、用戶隱私得到相應(yīng)保護(hù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)所獲取綠色能源的最大化利用，減少傳統(tǒng)電能的消耗以及降低用電成本，從而實(shí)現(xiàn)綠色通信。該兩方面研究包含了基于能量獲取的綠色通信能量管理的兩個(gè)重要方面，即如何利用有限能量實(shí)現(xiàn)最優(yōu)通信性能，以及在需求一定的條件下如何實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)能量消耗的降低。
　　針對(duì)第一方面，我們首先考慮了單用戶的應(yīng)用，即考慮了一個(gè)

4、由發(fā)射機(jī)、能量獲取設(shè)備以及緩沖電池組成的單用戶無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了受到能量可用性約束的限制，還受到了最大電池容量和最大發(fā)射功率的約束。在此模型基礎(chǔ)上，本文分別考慮了理想環(huán)境估計(jì)條件下和隨機(jī)條件下的能量?jī)?yōu)化問(wèn)題，最大化信道容量。在環(huán)境參數(shù)可被理想估計(jì)的假設(shè)下，我們利用凸優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)建模，通過(guò)分析K.K.T.條件尋找高效的能量規(guī)劃算法，即動(dòng)態(tài)注水算法。該算法為非因果算法。而在環(huán)境參數(shù)不可被理想估計(jì)的假設(shè)下，我們利用馬爾科夫決策過(guò)程進(jìn)

5、行建模，通過(guò)證明相應(yīng)價(jià)值函數(shù)的凸且非遞減特性，使用近似的價(jià)值方程高效的求解連續(xù)的能量分配問(wèn)題。該算法為因果算法，即優(yōu)化時(shí)僅需要獲知當(dāng)前觀測(cè)以及隨機(jī)變量的概率分布。此外，我們將完美環(huán)境預(yù)測(cè)條件下的單用戶應(yīng)用拓展至多用戶接入信道，利用迭代的動(dòng)態(tài)注水算法高效地求解單用戶條件下的聯(lián)合最優(yōu)解，并證明了所獲得的能量分配策略即為多用戶條件下的最優(yōu)的能量分配。
　　針對(duì)另一個(gè)方面，本文進(jìn)而考慮利用基于能量獲取的分布式能源為通信設(shè)施進(jìn)行供電，即考慮

6、了一個(gè)由多個(gè)通信設(shè)施、多個(gè)綠色分布式能源以及相應(yīng)能量供給、需求管理系統(tǒng)構(gòu)成的通信系統(tǒng)。我們假設(shè)該系統(tǒng)的能量主要由系統(tǒng)內(nèi)綠色分布式能源所提供，傳統(tǒng)電網(wǎng)亦可為該系統(tǒng)提供具有供電成本的補(bǔ)充能源，該系統(tǒng)的能量供給可被有效管理且通信設(shè)施的需求可被部分控制。在此基礎(chǔ)上，我們利用了一個(gè)通用的具有分布式能源的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)建立了針對(duì)通信設(shè)施應(yīng)用的能源管理模型，提出了微網(wǎng)結(jié)構(gòu)下通信設(shè)施能源供應(yīng)需求相結(jié)合的管理策略。在考慮電池充放電效率以及實(shí)時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上，本文

7、首先基于對(duì)偶分解，提出了符合隱私保護(hù)要求的分布式綜合供給、需求管理優(yōu)化算法，從而在保證用戶需求的前提下，通過(guò)最優(yōu)的能量供應(yīng)端、需求端的綜合管理，最大限度降低能源消耗成本；進(jìn)而，為了提高能量管理效率，本文提出了一個(gè)基于交替優(yōu)化方法的分布式算法，根據(jù)隱私條件分解優(yōu)化問(wèn)題以及確定求解對(duì)象，獲得了一個(gè)具有高收斂速率的次優(yōu)能量管理算法。
　　本文針對(duì)新近提出的具有能量獲取能力的綠色通信系統(tǒng)，建立了通用的系統(tǒng)模型與能量管理模型?；诖四Ｐ?，本