基于能量獲取的綠色通信系統(tǒng)的高效能量管理.pdf

1、隨著社會經濟與科技的發(fā)展，人們對能源的需求與消耗日益嚴峻。而在通信產業(yè)，隨著從環(huán)境直接獲取能量技術的不斷發(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注。
　　為實現綠色通信，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)的能量管理問題。通常情況下，該能量管理主要體現在兩個方面：在有限能量條件下以性能提升為目的的優(yōu)化（通常對通信設備，如發(fā)射機等）；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（通常對通信設施，如基站等）。對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能量獲取設備從環(huán)境中獲得，并配備緩沖電池以提高系統(tǒng)的可靠性。此外，我們假設該系統(tǒng)具有一定的能量管理能力以及一定的數據計算能力?；谠撃Ｐ?，我們首先針對無線發(fā)射機在不同時隙內、不同用戶間進行能量分配，使系統(tǒng)容量得到最大化，從而實現有限能量條件下的最優(yōu)通信性能的實現；另一方面，我們針對無線通信設施，與智

3、能電網技術相結合，通過對分布式能源的供給管理以及對無線通信設施能源需求的部分控制，在用戶需求完全得到滿足、用戶隱私得到相應保護的基礎上，實現對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，從而實現綠色通信。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重要方面，即如何利用有限能量實現最優(yōu)通信性能，以及在需求一定的條件下如何實現傳統(tǒng)能量消耗的降低。
　　針對第一方面，我們首先考慮了單用戶的應用，即考慮了一個

4、由發(fā)射機、能量獲取設備以及緩沖電池組成的單用戶無線發(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。在此模型基礎上，本文分別考慮了理想環(huán)境估計條件下和隨機條件下的能量優(yōu)化問題，最大化信道容量。在環(huán)境參數可被理想估計的假設下，我們利用凸優(yōu)化問題進行系統(tǒng)建模，通過分析K.K.T.條件尋找高效的能量規(guī)劃算法，即動態(tài)注水算法。該算法為非因果算法。而在環(huán)境參數不可被理想估計的假設下，我們利用馬爾科夫決策過程進

5、行建模，通過證明相應價值函數的凸且非遞減特性，使用近似的價值方程高效的求解連續(xù)的能量分配問題。該算法為因果算法，即優(yōu)化時僅需要獲知當前觀測以及隨機變量的概率分布。此外，我們將完美環(huán)境預測條件下的單用戶應用拓展至多用戶接入信道，利用迭代的動態(tài)注水算法高效地求解單用戶條件下的聯合最優(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。
　　針對另一個方面，本文進而考慮利用基于能量獲取的分布式能源為通信設施進行供電，即考慮

6、了一個由多個通信設施、多個綠色分布式能源以及相應能量供給、需求管理系統(tǒng)構成的通信系統(tǒng)。我們假設該系統(tǒng)的能量主要由系統(tǒng)內綠色分布式能源所提供，傳統(tǒng)電網亦可為該系統(tǒng)提供具有供電成本的補充能源，該系統(tǒng)的能量供給可被有效管理且通信設施的需求可被部分控制。在此基礎上，我們利用了一個通用的具有分布式能源的微網結構建立了針對通信設施應用的能源管理模型，提出了微網結構下通信設施能源供應需求相結合的管理策略。在考慮電池充放電效率以及實時電價的基礎上，本文

7、首先基于對偶分解，提出了符合隱私保護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，通過最優(yōu)的能量供應端、需求端的綜合管理，最大限度降低能源消耗成本；進而，為了提高能量管理效率，本文提出了一個基于交替優(yōu)化方法的分布式算法，根據隱私條件分解優(yōu)化問題以及確定求解對象，獲得了一個具有高收斂速率的次優(yōu)能量管理算法。
　　本文針對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