[01117291]基于新能源的无线网络协同传输技术研究

随着无线网络业务需求的飞速增长,蜂窝网络能耗不断增加,制约了无线通信技术的进一步发展。利用太阳能、风能、电磁场辐射能等新能源为无线通信系统供能,是降低网络能耗、实现绿色通信的有效手段之一[1]。另一方面,物联网（Internet of Things）[2]的兴起和可穿戴设备的快速发展[3],对设备电池续航能力提出了更高的要求。而新能源技术恰好能提供持续的能量供给,解决电池电量的瓶颈问题。利用新能源给通信网络供能,优点在于：首先,新能源具有绿色、无污染的特点,能有效降低无线网络对传统能源的需求,从而减小碳排放;其次,相对于非可再生能源,新能源储量丰富,合理开发利用这些新能源将是实现可持续发展的重要保障;另外,利用可再生能源为通信设备供能,还能使网络部署更为灵活、便利,有效地减少电网布线需求和运维成本。近年来,设备生产商[4]和运营商（如中国移动[5][6]）已开始生产和部署具有动态能量获取（Energy harvesting）功能的基站。为满足更高容量的无线业务需求,微基站、中继站以及物联网数据终端等小型无线接入节点将密集化部署。采用动态能量获取技术,将为无线节点的密集部署带来很大便利,具有广阔的应用前景。然而,可再生能源的使用具有时效性,首先体现在使用能量具有因果性（causality）,即当前无法使用尚未到达的可再生能量;其次,还体现在使用能量具有记忆性（memory）,即当前可用的能量由电池存储状态决定,而新到达的能量是否可以被存储也取决于电池储能状态,并受制于电池容量。同时,由于无线节点获取能量的方式与存储容量的差异,以及所处环境的不同,无线网络中多个节点的能量状态存在差异。这一差异使高能量节点受电池容量限制导致能量溢出浪费,而使低能量节点在能量耗尽时无法满足无线传输的需求,成为网络性能提升的瓶颈。因此,在动态能量供给的节点组成的无线网络中,如何平衡节点间的能量使用,以提高能量使用效率,并保证无线传输服务质量,是亟待解决的一个问题。针对上述问题,本项目引入无线节点的协同,基于网络能量状态,设计无线网络协同传输方案,提高可再生能量的使用效率,实现网络性能的提升。本项目探索能量时效性约束下新的节点协同方式,充分挖掘动态能量获取下无线通信系统的服务能力,为可再生能源应用于无线网络提供理论依据和实用算法,具有理论和实用的双重意义。 具体创新研究工作包括：（1）提出了一种新的基站合作传输方法,并通过凸优化理论求解了帧内最优功率分配,通过近似动态规划算法进行帧间能量调度,所提的方法相比传统的基站合作方法大大提高的传输速率;（2）基于能量获取的混合双工中继,在信道状态未知的条件下,提出了基于线性规划的启发式算法,而在信道状态已知的条件下,应用近似动态规划算法进行传输调度,所提算法的性能接近于最优的动态规划算法,而复杂度显著降低;（3）在混合供电的异构蜂窝网场景中,基于近似分析推导了多种供电方式的微基站能量节省增益的闭式解,为网络运营提供了理论指导。进一步的,提出了一种多基站情形下的负载转移算法TEATO,相比于传统的贪婪负载转移方法,TEATO算法可以获得超过50%的性能增益。本项目成果可以在蜂窝网广域覆盖、物联网、可穿戴设备等领域取得应用。