【摘要】：隨著無(wú)線蜂窩設(shè)備及其流量需求的顯著增長(zhǎng),蜂窩網(wǎng)絡(luò)將面臨頻譜稀缺和高能耗的考驗(yàn)。3GPP(3rd Generation Partnership Project)網(wǎng)絡(luò)工作組不斷推進(jìn)有效的無(wú)線通信技術(shù),以期望將蜂窩網(wǎng)絡(luò)從頻譜限制中解放出來(lái),并控制不斷增長(zhǎng)的能量消耗。與此同時(shí),移動(dòng)設(shè)備高倍數(shù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)將加速能源消耗,并帶來(lái)環(huán)境污染(顯著表現(xiàn)在溫室氣體排放)等隱含問題。因此,無(wú)線蜂窩設(shè)備及其流量需求的快速增長(zhǎng),以及其背后的環(huán)境和能源供給問題正驅(qū)動(dòng)業(yè)界去探索能效和譜效更優(yōu)的無(wú)線通信方案。復(fù)用蜂窩頻譜的能量采集充電設(shè)備到設(shè)備(Device-to-Device:D2D)通信(EH-based D2D Communication underlaying Cellular Network:EH-DCCN)集合D2D通信和能量采集技術(shù)優(yōu)勢(shì),能在綠色通信的基礎(chǔ)上卸載蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施側(cè)流量。因此,EH-DCCN能實(shí)現(xiàn)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高能效、高譜效的需求,是未來(lái)綠色無(wú)線蜂窩通信部署和實(shí)施的重要組成部分。但是,由于環(huán)境的波動(dòng)性以及能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的不成熟,這種新興的能量技術(shù)使得設(shè)備的可用能量具有很強(qiáng)的隨機(jī)性、間歇性和異構(gòu)性。基于這種特性,高效能量管理方案成為了 EH-DCCN場(chǎng)景下的重要熱點(diǎn)課題,也是EH-DCCN現(xiàn)實(shí)化的基石。本文結(jié)合D2D無(wú)線通信模式和能量采集的電量特性,以滿足網(wǎng)絡(luò)不同傳輸需求為目的,設(shè)計(jì)高效的多域資源調(diào)度和分配機(jī)制,為推進(jìn)EH-DCCN通信的發(fā)展提供更充實(shí)的理論依據(jù)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。因此,本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1).針對(duì)能量可用性將改變資源分配方式的特點(diǎn),聯(lián)合考慮可用能量和信道特征,在多個(gè)能量采集支持的D2D通信復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶頻譜資源場(chǎng)景下,設(shè)計(jì)了能量和信道聯(lián)合感知的動(dòng)態(tài)頻譜匹配和干擾控制方案。考慮到可用能量是EH-DCCN場(chǎng)景下資源分配時(shí)不可忽略的重要影響因素。本部分內(nèi)容聯(lián)合考慮可用能量和信道特性對(duì)資源分配的影響,在多個(gè)能量采集支持的D2D通信對(duì)(EH-based D2D Pair:EH-DP)可復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶的頻譜資源前提下,以最大化系統(tǒng)吞吐量(即傳輸速率)為目標(biāo),對(duì)蜂窩頻譜資源進(jìn)行合理分配,并優(yōu)化分配頻譜后的用戶間同頻干擾(即功率控制)問題。針對(duì)本研究建立的頻域和功率域聯(lián)合優(yōu)化問題,本部分內(nèi)容首先利用不等式近似和等式替換的方式,將原問題近似轉(zhuǎn)化成凸的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題,并利用外逼近方法求得該轉(zhuǎn)化問題的近似解;其次,由于外逼近算法的求解復(fù)雜度較大,不能滿足無(wú)線網(wǎng)絡(luò)決策延遲的需求。本內(nèi)容根據(jù)優(yōu)化問題特性,結(jié)合距離匹配思想,提出一種快速的能量感知頻譜匹配和干擾控制方案。通過仿真和復(fù)雜度分析驗(yàn)證了提出算法的性能,并給出在不同場(chǎng)景下提出算法的優(yōu)缺點(diǎn),給EH-DCCN場(chǎng)景下實(shí)際的頻譜和功率資源分配提供參考依據(jù)。(2).針對(duì)頻譜資源匹配后,能量可用性會(huì)使得用戶頻譜負(fù)載在時(shí)域上變得不均衡的特性,研究時(shí)域上的資源調(diào)度及其功率分配方案,設(shè)計(jì)了離線近似最優(yōu)和利于實(shí)際部署的在線負(fù)載均衡算法,減少了用戶傳輸過程中的相互干擾,進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的整體能效。在短期時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi),建立了以EH-DP用戶總能效為優(yōu)化目標(biāo)的時(shí)域頻譜調(diào)度及其相應(yīng)的干擾控制規(guī)劃模型。為有效求解以上短期分式非凸規(guī)劃問題,首先結(jié)合丁克爾巴赫分式規(guī)劃和凸松弛方案,設(shè)計(jì)出一個(gè)兩層的凸近似迭代資源優(yōu)化算法,在離線場(chǎng)景下對(duì)優(yōu)化問題進(jìn)行近似最優(yōu)求解。其次,考慮到該離線優(yōu)化方案需要短期時(shí)間段內(nèi)的所有狀態(tài)信息,與實(shí)際應(yīng)用有一定差距。因此,本部分內(nèi)容結(jié)合模型和網(wǎng)絡(luò)的特性,建立了一個(gè)在線的時(shí)間差分資源調(diào)度和功率分配方案。該方案在獲知下一時(shí)隙的狀態(tài)信息前提下,基于推導(dǎo)的用戶側(cè)基礎(chǔ)傳輸需求消耗,對(duì)相鄰時(shí)隙(當(dāng)前時(shí)隙和下一時(shí)隙)間的傳輸負(fù)載進(jìn)行均衡、調(diào)度、以及相應(yīng)的功率分配。仿真分析驗(yàn)證了該基于能量特性的短期負(fù)載均衡方案能進(jìn)一步提升EH-DP用戶傳輸能效,更適用于EH-DCCN傳輸場(chǎng)景。(3).針對(duì)實(shí)際的非全負(fù)載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模式和無(wú)線設(shè)備側(cè)有限的存儲(chǔ)空間,研究了在EH-DCCN場(chǎng)景下的能效和延遲多效用傳輸均衡調(diào)度問題,建立了更貼近實(shí)際場(chǎng)景的數(shù)據(jù)和能量模型,利用增強(qiáng)學(xué)習(xí)理論,設(shè)計(jì)傳輸優(yōu)化調(diào)度算法,提升了 EH-DCCN網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量�？紤]面向多效用需求的業(yè)務(wù),針對(duì)蜂窩用戶和EH-DP 一對(duì)一和一對(duì)多復(fù)用模型,建立了長(zhǎng)期平均能效-延遲加權(quán)和最優(yōu)化均衡模型�？紤]到建立的優(yōu)化模型屬于長(zhǎng)期非凸分式多目標(biāo)規(guī)劃,直接通過凸優(yōu)化等優(yōu)化方案進(jìn)行求解較為復(fù)雜。通過結(jié)合Q學(xué)習(xí),在一對(duì)一和一對(duì)多復(fù)用場(chǎng)景下分別建立了集中式和利于實(shí)際部署的分布式無(wú)限水平、離散時(shí)間、有限狀態(tài)的馬爾科夫決策過程。考慮到Q學(xué)習(xí)收斂性對(duì)該馬爾科夫模型的狀態(tài)-行為空間大小較為敏感。本部分內(nèi)容通過狀態(tài)空間降維和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)共享的方式分別對(duì)馬爾科夫模型進(jìn)行改進(jìn),以提升算法收斂性和性能。仿真驗(yàn)證了該基于Q學(xué)習(xí)的改進(jìn)算法能通過更快的收斂速度比擬Q學(xué)習(xí)算法性能。與此同時(shí),仿真分析了在不同場(chǎng)景下,達(dá)到較好能效-延遲均衡性能時(shí)網(wǎng)絡(luò)能服務(wù)的數(shù)據(jù)到達(dá)情況。該部分結(jié)論有利于給EH-DCCN場(chǎng)景中實(shí)際的能效-延遲資源調(diào)度提供參考依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN929.5
【圖文】：

逑給并非是一個(gè)明智和長(zhǎng)遠(yuǎn)之舉。這是由于：非再生能源的產(chǎn)生需要長(zhǎng)時(shí)間的不逡逑斷累積，并且其消耗的增大將帶來(lái)空前巨大的碳排放覺。圖１－２展示了預(yù)計(jì)到逡逑２０２０年，移動(dòng)通信的碳排放Ｍ？分布ｍ。此時(shí)，來(lái)自移動(dòng)蜂窩設(shè)備端的碳排放占逡逑比超過４０％，預(yù)ｉ十到２０２０年，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的二氧化碳（Ｃ０２）排放量將達(dá)到逡逑３．４５邋億噸（８］。逡逑數(shù)據(jù)中心和數(shù)｜邐ＱｌＪ邐邐邐逡逑３０％邋．邐，逡逑圖１－２移動(dòng)蜂窩通信的碳排放分布（預(yù)計(jì)在２０２０年）ｐ’９１逡逑通過以上分析，不斷增加的基礎(chǔ)設(shè)施以及移動(dòng)設(shè)備通信需求使得能量消耗逡逑不斷攀升，其背后不僅僅會(huì)造成溫室氣體的大量排放，還會(huì)造成運(yùn)營(yíng)商操作開逡逑銷成本的加劇�；诖耍紤]到未來(lái)５Ｇ蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r、以及能源消耗逡逑帶來(lái)的能源危機(jī)和其對(duì)環(huán)境的影響，能量有效的綠色無(wú)線通信勢(shì)在必行�，F(xiàn)今，逡逑如圖１－３所示

逑給并非是一個(gè)明智和長(zhǎng)遠(yuǎn)之舉。這是由于：非再生能源的產(chǎn)生需要長(zhǎng)時(shí)間的不逡逑斷累積，并且其消耗的增大將帶來(lái)空前巨大的碳排放覺。圖１－２展示了預(yù)計(jì)到逡逑２０２０年，移動(dòng)通信的碳排放Ｍ？分布ｍ。此時(shí)，來(lái)自移動(dòng)蜂窩設(shè)備端的碳排放占逡逑比超過４０％，預(yù)ｉ十到２０２０年，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的二氧化碳（Ｃ０２）排放量將達(dá)到逡逑３．４５邋億噸（８］。逡逑數(shù)據(jù)中心和數(shù)｜邐ＱｌＪ邐邐邐逡逑３０％邋．邐，逡逑圖１－２移動(dòng)蜂窩通信的碳排放分布（預(yù)計(jì)在２０２０年）ｐ’９１逡逑通過以上分析，不斷增加的基礎(chǔ)設(shè)施以及移動(dòng)設(shè)備通信需求使得能量消耗逡逑不斷攀升，其背后不僅僅會(huì)造成溫室氣體的大量排放，還會(huì)造成運(yùn)營(yíng)商操作開逡逑銷成本的加劇。基于此，考慮到未來(lái)５Ｇ蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r、以及能源消耗逡逑帶來(lái)的能源危機(jī)和其對(duì)環(huán)境的影響，能量有效的綠色無(wú)線通信勢(shì)在必行�，F(xiàn)今，逡逑如圖１－３所示

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 郭穎;張ng濤;;基于微能源收集技術(shù)的傳感器節(jié)點(diǎn)[J];華北理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2017年03期

2 錢志鴻;王雪;;面向5G通信網(wǎng)的D2D技術(shù)綜述[J];通信學(xué)報(bào);2016年07期

本文編號(hào)：2726637