如何有效管理搜集的能量以滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸需求

蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)設(shè)備和流量負(fù)載的快速增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)能量效率和頻譜效率更優(yōu)的無(wú)線通信方案的探索。設(shè)備到設(shè)備(Device-to-Device，D2D)通信是一種允許無(wú)線設(shè)備直通通信，而不經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施(例：基站)轉(zhuǎn)發(fā)，提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能的傳輸方案[1]。因?yàn)榕R近通信，D2D通信具有時(shí)延低、能耗低等優(yōu)勢(shì)。然而，隨著大量無(wú)線設(shè)備不斷地嘗試接入網(wǎng)絡(luò)，D2D支持的無(wú)線通信設(shè)備可能是一種低功耗設(shè)備(例如，機(jī)器類型的設(shè)備[2-3])。這種設(shè)備主要由固定能源支持，例如配備電池。因而，這類D2D通信支持的低功耗設(shè)備具有有限的生命周期[3]。而為這一類無(wú)線設(shè)備替換電池或者通過(guò)電網(wǎng)為其充電，是一項(xiàng)不現(xiàn)實(shí)或者開(kāi)銷巨大的工作。

因此，為延長(zhǎng)這類低功耗設(shè)備的生命周期，能量搜集(Energy Harvesting，EH)技術(shù)被提出為這類設(shè)備提供電量支撐[4]。能量搜集技術(shù)是一種將環(huán)境能源(如：太陽(yáng)能、風(fēng)能等)轉(zhuǎn)化為電能的綠色能源技術(shù)。然而，由于環(huán)境的波動(dòng)性以及能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的不成熟，這種新興的能量支持技術(shù)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。因此，在能量搜集充電的D2D通信中，如何有效管理搜集的能量以滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸需求是一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義的問(wèn)題。

近期，關(guān)于能量搜集充電的D2D通信研究主要關(guān)注點(diǎn)在于設(shè)計(jì)有效的傳輸和資源分配機(jī)制。在接入控制方面，文獻(xiàn)[5]提出一個(gè)子頻帶的統(tǒng)計(jì)在線學(xué)習(xí)和模式選擇方案，以減少子頻帶的切換開(kāi)銷和計(jì)算復(fù)雜度。在EH充電的認(rèn)知D2D通信中，文獻(xiàn)[6]提出了兩種不同頻譜接入策略：隨機(jī)接入和優(yōu)先級(jí)接入，并分析了其在傳輸概率和信干噪比中斷概率的性能。

另外，如何有效地分配資源(功率和頻譜)也是現(xiàn)有研究工作的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]在高斯干擾信道下提出一種能量搜集傳輸端總速率最大化的功率分配機(jī)制?？紤]能效最大的情況，文獻(xiàn)[8]中研究了不同實(shí)際約束(如能量約束和電池容量約束)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。對(duì)于有效的頻譜分配，文獻(xiàn)[9]和[10]研究了最大化總速率和最小化能量消耗問(wèn)題。

以上的研究工作均考慮的是蜂窩用戶和D2D用戶的一對(duì)一信道復(fù)用場(chǎng)景。在這種復(fù)用模式下，蜂窩用戶的信道資源將會(huì)在該能量搜集充電的D2D用戶能量缺失時(shí)空閑。為更好地滿足現(xiàn)在對(duì)譜效的設(shè)計(jì)要求，多個(gè)能量搜集充電的D2D通信被允許去復(fù)用同一個(gè)蜂窩用戶的信道資源進(jìn)行傳輸。此時(shí)，可以通過(guò)覆蓋各用戶之間由于能量缺失帶來(lái)的信道空缺，從而提升頻譜效率。基于以上分析，本文主要研究多個(gè)能量搜集充電的D2D用戶復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶信道資源場(chǎng)景下的功率分配問(wèn)題。

系統(tǒng)模型和數(shù)學(xué)建模

1

本文考慮如圖 1所示的單蜂窩場(chǎng)景。N對(duì)擁有能量采集功能的D2D用戶對(duì)(EH-based D2D pair，EH-DP)可復(fù)用該蜂窩用戶的上行頻譜資源傳輸數(shù)據(jù)。

本文不考慮頻譜的分配問(wèn)題，僅僅規(guī)劃匹配后的功率分配問(wèn)題。蜂窩用戶由傳統(tǒng)的電池供電。每個(gè)EH-DP都有一個(gè)發(fā)送端和接收端。假設(shè)EH-DP的發(fā)送節(jié)點(diǎn)擁有能量搜集功能，并配備一個(gè)無(wú)線容量的電池以存儲(chǔ)電量。由于接收端的信號(hào)解碼過(guò)程是超低功耗的，所以，本文不考慮EH-DP接收端的電量分配。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的傳輸過(guò)程考慮時(shí)隙傳輸?shù)那闆r。

如圖 1所示，任意EH-DP通信鏈路將對(duì)蜂窩用戶及其他ED-DP產(chǎn)生干擾。同樣，蜂窩用戶也將對(duì)所有EH-DPs產(chǎn)生干擾。假設(shè)將蜂窩用戶用符號(hào)c表示，EH-DP用d表示，基站用B表示。在t時(shí)隙下，蜂窩鏈路和EH-DP鏈路的信道容量(香農(nóng)容量)可分別表示如下：

1.1 能量采集模型

本方案假設(shè)EH-DPs的能量采集模型服從如文獻(xiàn)[11]中式(5)所示的獨(dú)立復(fù)合泊松分布。即每個(gè)時(shí)隙下，有K個(gè)能量包到達(dá)EH-DP用戶，每個(gè)能量包的大小固定為eu。其中，K是服從均值為λ的泊松分布。因此，EH-DP用戶di的能量模型如圖2所示。

本方案中，能量的存儲(chǔ)和消耗僅用于通信，電池沒(méi)有電量丟失的情況。同時(shí)，基站已知所有節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)信息和信道狀態(tài)信息，則基站可通過(guò)該信息對(duì)用戶進(jìn)行功率控制。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文考慮在保障蜂窩用戶的傳輸速率需求前提下，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中所有EH-DP通信鏈路在某一時(shí)間間隙t下的總傳輸速率：

其中，PC、PD分別表示表示蜂窩用戶功率決策變量和EH-DPs用戶功率決策變量集合。蜂窩用戶和EH-DPs的傳輸速率分別如式(1)和式(2)所示。約束①和約束④分別表示蜂窩用戶和EH-DPs用戶的最大發(fā)送功率約束；約束②為蜂窩用戶的最小傳輸服務(wù)質(zhì)量約束；同時(shí)，若EH-DP被選中傳輸，則也應(yīng)當(dāng)?shù)玫较鄳?yīng)傳輸速率，用約束⑤表示；③是EH-DPs在傳輸過(guò)程中的能量約束。

解決方案

2

定理1 根據(jù)分析，由問(wèn)題(1)中的CU和D2D的傳輸速率需求約束②和⑤可知，某個(gè)時(shí)隙下能夠傳輸數(shù)據(jù)的D2D用戶對(duì)必須滿足一個(gè)基本的能量需求：

仿真分析

3

如圖 1所示的半徑為800 m的蜂窩場(chǎng)景中，基站位于該區(qū)域的中心。蜂窩用戶和D2D用戶隨機(jī)分布，并服從以下規(guī)則：由于頻譜匹配已完成，為避免嚴(yán)重的相互干擾，仿真中蜂窩用戶和EH-DP用戶之間的間距不得少于200 m；同樣，EH-DP之間的間距不得低于80 m；而EH-DP中的發(fā)送端和接收端的距離在20~50 m之間隨機(jī)分布。仿真中用到的其他參數(shù)如表1所示。

首先，為了驗(yàn)證方案的有效性，將本文的算法與暴力搜索的方案進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文提出的近似方案(TSCA)的有效性。暴力搜索的方案能夠得到最優(yōu)的功率分配策略，但其搜索復(fù)雜度較大，不適合應(yīng)用在這種決策時(shí)延要求在毫秒級(jí)的無(wú)線應(yīng)用中。不失一般性，本文僅驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)中的EH-DPs節(jié)點(diǎn)數(shù)N為3和5時(shí)的場(chǎng)景，在平均搜集能量包λ為1～9時(shí)，分析EH-DPs平均可獲得的傳輸速率。

如圖3所示，N為3或5的場(chǎng)景中，在任意能量包到達(dá)大小的情況下，TSCA算法在平均可達(dá)到的傳輸速率性能上，都能夠近似地逼近最優(yōu)解。即本文提出的算法適用于多EH-DPs用戶與蜂窩用戶共享信道場(chǎng)景下的功率分配問(wèn)題，并擁有更低的算法復(fù)雜度。

其次，在不同數(shù)量的EH-DP用戶，與不同的能量到達(dá)場(chǎng)景下，能量搜集充電的D2D通信的表現(xiàn)性能如圖4所示。

圖4中，蜂窩用戶的平均傳輸速率隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增長(zhǎng)(或者隨著能量包到達(dá)的增長(zhǎng))而降低。此外，EH-DP用戶平均的傳輸速率隨著能量包的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。這是因?yàn)殡S著用戶或者能量包的增長(zhǎng)，EH-DP用戶請(qǐng)求接入信道進(jìn)行傳輸?shù)母怕蕦⒉粩嘣龃蟆＿@就導(dǎo)致了EH-DP用戶的傳輸速率的增長(zhǎng)。同時(shí)，蜂窩用戶將受到更多EH-DP用戶的干擾，這將降低蜂窩用戶的傳輸速率。但由于蜂窩用戶傳輸需求的約束，蜂窩用戶的最低傳輸速率將得到保障，如EH-DP用戶數(shù)大于等于5、能量包大于等于5時(shí)。相反，若能量包達(dá)到一定程度，EH-DP用戶的請(qǐng)求呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，EH-DP用戶間的互干擾也會(huì)增大。這也導(dǎo)致在λ大于等于7、EH-DP用戶數(shù)大于等于6時(shí)，EH-DP用戶能夠獲得的平均傳輸速率將減小。

結(jié)論

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本文在多個(gè)擁有能量采集的D2D用戶與一個(gè)蜂窩用戶復(fù)用上行頻譜資源的場(chǎng)景中，在能量約束以及滿足蜂窩用戶的傳輸需求前提下，以最大化D2D通信鏈路的傳輸速率為目標(biāo)，研究了蜂窩用戶和D2D用戶的最優(yōu)功率分配問(wèn)題。由于該問(wèn)題是一個(gè)非凸規(guī)劃問(wèn)題，很難在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)求得最優(yōu)解，尤其是在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大的情況下。因此，本方案提出了一種兩步凸近似算法。經(jīng)理論和仿真分析可知，本文提出的算法能夠以較低的復(fù)雜度得到該問(wèn)題的近似最優(yōu)可行解。