基于能量收集的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站接入與休眠控制機(jī)制研究.pdf

1、部署多種類型的小基站(Small Base Stations，SBSs)和中繼(Relay Stations，RSs)與宏基站(Macro Base Stations，MBSs)共存的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)是解決爆炸式增長的數(shù)據(jù)流量傳輸需求的主要手段之一。但SBS和RS的密集部署也帶了網(wǎng)絡(luò)能耗的急劇增加。未來，使用能量收集（Energy Harvesting，EH）技術(shù)被認(rèn)為是降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)能量消耗的一種有效手段。EH技術(shù)是通過將太陽能、風(fēng)能等可再

2、生能源轉(zhuǎn)換成電能來給通信設(shè)備供電。但由于這些可再生能源的不穩(wěn)定性，EH技術(shù)獲取的能量在時(shí)間和大小上都是隨機(jī)的。為了保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，采用EH技術(shù)的同時(shí)需要新的有效的網(wǎng)絡(luò)部署方案和網(wǎng)絡(luò)管理策略。因此，為了提高EH供電的蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能，本文提出SBS或RS由EH供電，MBS由傳統(tǒng)電網(wǎng)供電的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型，這樣SBS或RS能量不足時(shí)，仍可以由MBS保證網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，然后基于隨機(jī)幾何理論來建模分析網(wǎng)絡(luò)性能，在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同的目標(biāo)，提出高效的

3、基站控制策略來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。
　　我們針對兩個(gè)典型的EH異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景來分析優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，即:RS由EH供電，MBS由電網(wǎng)供電的中繼異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景;SBS由EH供電，MBS由電網(wǎng)供電的宏微異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景。
　　對RS由EH供電，MBS由電網(wǎng)供電的中繼異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，為使RS利用有限能量提供更多速率，我們提出帶動(dòng)態(tài)偏置因子的最大接收功率用戶接入策略，通過優(yōu)化任意能量到達(dá)率下的偏置因子來最大化用戶平均速率。我們考慮兩種RS協(xié)作場景。對于

4、基站和協(xié)作用戶之間無直達(dá)鏈路的場景，我們首先利用馬爾科夫和隨機(jī)幾何理論推導(dǎo)了RS活動(dòng)概率以及用戶平均速率的解析表達(dá)式，然后通過建立并求解優(yōu)化問題得到了任意能量到達(dá)率下最優(yōu)偏置因子的解析表達(dá)式。對于基站和協(xié)作用戶之間有直達(dá)鏈路的場景，我們通過系統(tǒng)仿真分析了不同能量到達(dá)率下的最優(yōu)偏置因子來最大化用戶平均速率。仿真結(jié)果表明，當(dāng)RS能量到達(dá)率不足夠大時(shí)，兩種RS協(xié)作場景具有相同的最優(yōu)偏置因子，并且最優(yōu)偏置因子下的用戶平均速率要遠(yuǎn)大于無偏置因子下

5、的用戶平均速率。
　　對SBS由EH供電，MBS由電網(wǎng)供電的宏微異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，考慮到SBS能量到達(dá)率和網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量都是隨時(shí)間變化的，我們提出通過聯(lián)合優(yōu)化MBS活動(dòng)（休眠）概率(Macro Base Station Active Probability，MAP)和SBS發(fā)送功率(Small BaseStation Transmit Power，STP)，在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）的前提下最小化網(wǎng)絡(luò)

6、的電網(wǎng)能耗。我們定義用戶的平均服務(wù)中斷概率來作為用戶QoS的評(píng)估，然后基于隨機(jī)幾何理論推導(dǎo)了服務(wù)中斷概率的解析表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上建立了以最小化電網(wǎng)能耗為目標(biāo)的優(yōu)化問題解析模型。通過分析服務(wù)中斷概率與MAP和STP的隱式關(guān)系，我們將優(yōu)化問題簡化，推導(dǎo)出任意能量到達(dá)率和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量下的最優(yōu)MAP和STP的解析表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，本文聯(lián)合優(yōu)化MAP和STP下的網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)能耗始終小于固定STP僅對MBS休眠時(shí)的電網(wǎng)能耗，并且SBS靜態(tài)功耗越低，我