混合能源供能的异构蜂窝网络中能源成本最小化问题的研究

摘要

近年来由于智能手机和高带宽消耗应用的迅猛增长，无线蜂窝网络（Wireless Cellular Networks，WCN）经历了数据流量的巨大增长，这导致更多的能量消耗和温室气体的释放。在移动通信产业，利用绿色能源和采取异构蜂窝网络近期已经被提升为节约能源消耗和减少温室气体排放的策略转变。
　　本文考虑一个混合能源供能的异构蜂窝网络。该异构蜂窝网络包含宏基站(macro base station，mBS)和微基站(pico base station，pBS)两种基站。在这样的一个网络中，mBS由电能供能；pBS既可以由电能供能也可以使用绿色能源。由于可再生绿色能源通常被认为比电能便宜得多，在这样一个绿色异构蜂窝网络中，如何在保证用户服务质量和网络性能的前提下最小化网络的总能源消耗成本，有待我们进一步研究。
　　我们研究了两种类型的场景：只考虑接入网的基础场景；复杂场景在模型化信道和基站功率消耗时，同时考虑了接入网和回程链路部分。在两种场景中，我们都是首先建立一个有约束的总能源成本最小化（Energy Cost Minimization，ECM）的优化问题，约束条件包括基站的发射功率预算和可用带宽预算、用户传输速率需求、有限的能源供应等。可以证明两个场景下的ECM问题都是NP-困难问题。需要我们设计可行的、有较低计算复杂度的算法来获得近似最优解。
　　在基础场景中，我们将ECM问题分解为两个相辅相成的部分：用户关联（User Association，UA）问题和最优带宽分配（Optimal Bandwidth Allocation，OBA）问题。然后，提出新的OBA算法来在给定UA方案的前提下最小化每个基站的功率消耗；对UA问题，我们在OBA算法的基础上分别提出一个集中式算法和一个分布式算法，来有效利用pBS中的绿色能源存储以最小化能源消耗成本。在复杂场景中，我们基于用户连接和重连接思想，提出一个集中式算法，该算法利用整个网络的可用的环境信息；另外，我们还提出一个利用每个基站自身的可用环境信息的分布式算法。最后，通过一系列仿真实验的执行来验证我们算法的有效性。

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1. 绪论

1.1研究背景

1.2研究意义

1.3论文研究内容

1.4论文章节安排

2. WCN能源成本最小化问题的研究现状

2.1 WCN能源成本最小化问题总述

2.2 WCN用户关联问题的相关研究

2.3 WCN混合能源问题的相关研究

2.4本章小结

3. 基础场景的数学建模研究

3.1系统模型概述

3.2问题建模

3.3本章小结

4. 基础场景的算法与仿真研究

4.1 OBA算法

4.2集中式UA算法

4.3分布式UA算法

4.4仿真实验和结果

4.5本章小结

5. 考虑回程链路场景的能源成本最小化问题

5.1考虑回程链路场景的系统模型

5.2考虑回程链路场景的问题建模

5.3算法思路

5.4实验仿真

5.5本章小结

6. 总结与展望

6.1论文工作总结

6.2未来研究方向

致谢

攻读硕士期间发表的论文

参考文献