动态能量获取下无线网络的协同能量管理与资源优化

Due to the advantages of environment friendliness, easy and flexible deployment, utilizing renewable energy for wireless communications has attracted extensive attentions recently. Currently, the research on the wireless communications under renewable energy is under its infant stage, which is far from practical applications. In order to combat the impacts of the randomness and unstableness of the renewable energy on sustaining the quality of communications, this project targets at guaranteeing the quality of service through energy management for wireless networks. Specifically, we focus on the coordination of the dynamic energy harvesting and wireless resource allocation, the renewable energy and power grid energy, and the way of using harvested energy among various transmission nodes. We plan to conduct the following research work: (1) For single link transmission, we jointly optimize the resource allocation of power, adaptive modulation and coding, and multiple antennas under the dynamic energy harvesting. (2) For the network consisting of heterogeneous transmission nodes with different energy harvesting modes and capabilities, we optimize the node planning, and then based on the dynamic energy arrival, we design node cooperative transmission schemes. The outcome of our research can provide valuable technical references for applying renewable energy in cellular networks, internet of things, smart grid, and etc. This project is beneficial for the sustainable development of the wireless networks, and is of positive significance for both economic development and environmental protection.

由于具备绿色环保、部署灵活和维护便利等特点，可再生能源在无线网络中的应用正引起人们的广泛关注。目前学术界对可再生能源下无线通信的研究尚处于起步阶段，与实用化需求相距较远。为解决可再生能源的随机性和不稳定性对维持无线通信质量的不利影响，本项目以保障服务质量为目标，研究无线网络中的能量管理机制，着眼于动态能量获取与无线资源分配之间、可再生能源与电网能源之间、及能量使用在不同传输节点之间的协同。拟开展以下研究工作：（1）对于单链路无线传输，研究动态能量获取下的功率、自适应调制编码和多天线的联合资源分配优化。（2）对于由能量获取方式和能力不同的异构节点组成的网络，研究节点的部署优化，并根据能量的动态到达，设计多节点合作传输策略。开展本项目的研究，能为可再生能源在无线蜂窝网、物联网等多领域的实用化提供有价值的技术参考，利于无线网络的可持续发展，对经济发展和环境保护均有积极意义。

由于可再生能源由于具备绿色环保、部署灵活和维护便利等优点，同时随着智能电网的兴起，无线通信的供电形式也日益多样化。在此趋势下，能量的到达或能量的代价都存在动态性，对保证通信质量提出了新挑战。本项目针对无线通信中获取能量的动态性，以保障无线通信质量为目标，研究无线网络中的能量管理机制，着眼于可再生能量和电网能量的协同，及动态能量到达与业务需求在时空上的适配。项目依照计划进行，代表性研究成果包括：..1. 可再生能量的随机到达特性建模。.a）分析美国国家可再生能源实验室公布的长达27年光照强度数据，建立了太阳能到达的隐马尔可夫链数学模型。.b）应用该模型，设计了人工神经网络算法对未来短时能量到达进行准确预测。.2. 单链路动态能量获取下的无线资源优化。.a）针对由可再生能源和电网混合对发端供电的单链路单天线系统，得到了吞吐量最大化为目标下，两阶段注水的最优功率分配结构。.b）拓展到多天线单链路场景，进行时域和空域联合分析，提出了最优的离线空时注水法及对应的在线算法。.c）针对收发端均有能量随机到达的场景，在电池容量无限的条件下，证明了门限功率控制策略为最优的在线策略，并给出最优门限值的闭式表达。在电池受限场景下得到了一般性最优在线策略的参数。.3. 多基站动态能量获取下的无线资源管理与休眠控制。.a）对于同构蜂窝网，根据基站能量状态和业务时空分布，联合优化基站的资源分配和开闭状态，以低复杂度的分阶段动态规划算法获得与最优策略相仿的性能，并拓展该算法至基站间存在协作传输的场景。.b）针对异构蜂窝网络，优化可再生能源驱动的微基站动态休眠与业务在宏基站和微基站间的卸载机制。.c）在动态能量到达下多节点可互相传递能量的场景，得到了最大化系统效用函数的能量控制、传递和数据准入机制。..除计划的研究内容，本项目还挖掘了信息存储对于有效利用可再生能源的作用机理，提出了全新的动态推送与缓存服务框架，优化可再生能量的使用。由此出发，有望揭示能量和信息在时域的互易关系，因此项目负责人2015年度获批面上基金“能量时效性约束下的无线网络传输与存储协同机制研究”作为本项目的后续研究。..共发表SCI期刊论文19篇，发表EI国际会议论文34篇，申请发明专利2项。项目研究工作受到同行认可，本人于2015年11月在IEEE/CIC ICCC国际会议上做了关于可再生能源供电无线通信的Tutorial。