智能电网供电异构蜂窝网络的能量管理和业务导向

To provide ubiquitous and always-on wireless access and decrease the resulting electricity costs and carbon emission of network infrastructures, this project considers heterogeneous networks composed of densely deployed base stations (BSs) with different types and powered by smart grid with bidirectional energy and information flows. In the heterogeneous networks powered by smart grid, how to optimize the spatial and temporal cooperation of energy and communication by making use of the power supply mode of smart grid and the networking characteristics of heterogeneous cells, is the key to achieving green network and energy saving. Focusing on the tightly coupled themes of energy management and traffic steering, this project develops the following three aspects: early energy-saving planning, time-average operation optimization and real-time opportunistic optimization: 1) In order to guarantee quality of service and decrease on-grid power expenses, a rough matching model between energy consumption and wireless traffic is established by optimizing the sleep control and energy purchase of BSs; 2) As to cut down the consumption of on-grid power, this project will investigate the spatial coordination of energy and load of BSs by jointly optimizing user association, resource allocation, power control, energy cooperation and renewable energy management; 3) Considering user preferences and differentiated service requirements, this project intends to study the random energy utilization and content caching and push which is aim to achieve the spatial and temporal matching of energy and traffic, so as to reduce the on-gird power consumption further. The results of the project will provide a theoretical support and design guidance for the planning and operation of heterogeneous networks powered by smart grid.

为提供无处不在和永久在线的无线接入服务，并降低网络基础设施的电费支出与碳排放，本项目考虑不同类型基站密集部署组成异构蜂窝网络，并由具有双向能量和信息流的智能电网供电。在智能电网供电的异构蜂窝网络中，如何利用智能电网的供电方式和异构蜂窝的组网特征优化能量与通信的时空协作是实现网络绿色节能的关键。本项目聚焦能量管理与业务导向这两大紧密耦合的主题，从提早节能规划、时均运行优化与实时机会优化三个方面开展研究：1)为保证覆盖质量并降低能量成本，通过优化基站休眠和能量采购，刻画网络能量与无线业务量的粗匹配模式；2)研究能量与负载的空间协调，联合优化用户关联、资源分配、功率控制、能量合作和可再生能源管理，降低系统运行能耗；3)考虑用户偏好和差别化服务需求，研究面向能量与业务时空匹配的随机能量利用和内容缓存与推送，进一步降低市电消耗。预期成果将为智能电网供电异构蜂窝网络的规划与运行提供理论指导和设计支持。

伴随蜂窝网络技术和智能电网技术的快速发展，智能电网供电的异构蜂窝网络已成为促进双方合作、实现网络节能的互惠互利新架构，极大助力于5G/B5G网络的全覆盖、绿色和节能。本项目针对智能电网供电异构蜂窝网络的能量管理与业务导向问题，利用智能电网的供电方式和异构蜂窝的组网特征，从提早节能规划、时均运行优化与实时机会优化三个方面，提出了粗细粒度递进优化的能量与通信时空协作机制。.1.在提早节能规划方面，结合无线基础设施的高密度和高异构演化趋势，针对智能电网供电双连接系统，首先研究了动态电能调度和自适应用户关联，通过电能预先购买、双向电能交易、电池存储调节，实现了电能供需均衡和系统总电能支出的降低。其次，提出了面向低能耗业务卸载的用户关联和Small cell休眠机制，通过在两个时间尺度上分别进行动态的小基站休眠和用户关联调整，实现了网络能耗与服务时延的灵活折中，降低了系统能耗并提供了用户QoS保障。.2.在时均运行优化方面，首先研究了混合能源供电异构蜂窝网络的无线资源管理和电池能量调度。考虑理性频谱共享，基于纳什议价提出了公平的无线资源分配方案以激励频谱共享；进而使用Lyapuonv方法在线优化无线资源管理和电池能量调度，以最大化所有基站的时均利润增益。另一方面，针对融合中继和D2D通信的可再生能源供电异构蜂窝网络，提出了在线和鲁棒的无线资源管理算法，以在不依赖精确信道状态信息的条件下最大化系统容量并高效利用可再生能源。.3.在实时机会优化方面，结合异构无线网络在工业生产和交通出行方面的应用，研究了面向通信与感知、计算、控制相结合的网络系统建模与优化。首先，提出了智能电网异构无线网络中数据感知与传输的能量效率优化。其次，设计了基于contract-Stackelberg博弈的停放车辆边缘计算网络的计算卸载决策与无线资源分配的联合优化方案。最后，分析了面向网联车辆队列控制需求的异构车辆无线频谱共享机制。.项目研究成果发表SCI收录论文5篇，El收录论文2篇，申请发明专利2项，其中授权1项。