混能供电移动通信网络的节能方法研究

发布时间：2018-06-25 22:43

本文选题：绿色通信 + 可再生能源　；参考：《重庆大学》2015年博士论文

【摘要】：为了满足移动数据业务量的高速增长和网络系统容量、带宽以及用户服务质量要求的不断提高,移动通信网络的覆盖广度和覆盖深度不断升级,基站部署密度越来越高,这将导致移动通信网络的能量消耗和碳排放量呈爆炸式增加。因此,采取有效的节能措施降低网络能耗、碳排放量成为了当前以及未来移动通信网络的重要目标之一。可再生能源具有分布广泛、供电过程中无碳排放的特点,将其引入移动通信网络,以绿色环保的“开源”方式减少网络能耗和碳排放的“绝对量”,成为了移动通信网络发展的必然趋势。在城市热点区域中,将可再生能源作为绿色能源引入市电供能的移动通信网络构成了“混能供电移动通信网络(Hybrid Energy powered cellular Networks,HybE-Net)”。在该网络中,可再生能源作为主要供能端为移动网络中的通信基站进行供电。当可再生能源供能不足时,市电作为备用供能端对基站继续供电,从而保证移动网络的有效覆盖和通信服务质量。但是,可再生能源的能量供应和基站的能量消耗在时间、空间上具有随机性,这将有可能导致HybE-Net中各基站之间的可再生能源利用率失衡,进而使得引入的可再生能源无法被最大化利用,HybE-Net的市电能耗和碳排放量无法被有效降低。鉴于此,本文以太阳能和市电混合供电的移动通信网络为例,研究了该网络的节能方法,为提高HybE-Net可再生能源利用率,减少市电能耗提供思路;同时,本文还研究了可再生能源供电系统设计,为引入可再生能源的移动网络的实际建设问题提供指导。本文具体研究内容和贡献如下:①本文研究了移动通信基站的可再生能源供电系统设计。首先,利用M/G/1/K队列模型对移动通信基站在太阳能供电过程中的动态能量流动行为进行建模。然后,采用嵌入式马尔可夫链分析法对系统的动态能量特征进行分析,提出了用于评估和量化太阳能供电基站系统能量可靠性、可再生能源利用率和耐久性的设计指标。最后,在系统设计指标的约束下,将系统设计问题构建为系统资本性支出最小化问题,并提出了运用自适应遗传算法解决供电系统设计问题的方法,得到了太阳能电池板面积和储能电池组容量的理想配置。仿真结果证明,在本文设计指标指导下提出的可再生能源供电系统设计方法能够在系统可靠性和经济性之间寻找到理想的平衡点,能够为移动通信网络引入可再生能源的实际建设问题提供指导。②本文研究了HybE-Net中基于节能的接入控制算法。首先,本文利用近似扩散理论对基站在太阳能供电过程中的太阳能能量状态以及变化特征进行分析。然后,利用模糊逻辑对数据传输速率、系统可用带宽和基站太阳能能量状态等终端接入判决参数进行综合考虑。同时,提出了太阳能利用率均衡指数来评估终端接入不同基站对网络中各基站太阳能利用率均衡性的影响,使得接入控制算法能够在保证终端通信服务质量的基础上,实现各基站之间的太阳能利用率均衡和网络节能减排的目的。最后,本文通过仿真实验验证了基站太阳能能量状态建模和分析的准确性,以及所提出的接入控制算法的有效性。③本文研究了HybE-Net中基于节能的覆盖优化算法。首先,本文分析了基站的太阳能能量采集和能量消耗模型,并且推导出基站的能量消耗关于其覆盖范围的闭式表达式。然后,在此基础上,将HybE-Net中基于节能的覆盖优化问题构建成了网络市电能耗最小化问题。考虑到基站的太阳能能量采集和能量消耗在时间、空间上的变化对覆盖优化的影响,该优化问题进一步分解成了链路能耗最小化问题、基站初始太阳能能量分配问题和空间业务单元格的指派问题。最后,本文设计了一种适用于Hyb E-Net的覆盖优化算法,算法通过优化通信链路传输功率、基站的初始太阳能能量状态、以及空间业务单元格与基站之间的关联矩阵,实现了网络市电能量消耗最小化的目的。同时,本文通过仿真实验验证了算法的有效性。④本文研究了HybE-Net中的基站休眠策略。首先,本文从保障网络通信服务质量和有效节能的角度出发,分析了HybE-Net中基站休眠的必要条件,并且在此基础上,将HybE-Net中的基站休眠问题构建成了网络市电能耗节省值的最大化问题。然后,提出了一种基于联盟博弈的基站休眠策略,并且从理论上证明了该策略的稳定性。最后,为了避免基站在休眠和非休眠状态之间频繁切换,引入了基于能量状态的唤醒门限,并对该唤醒门限的最优值进行求解。同时,本文通过仿真实验验证了所提出的基站休眠策略在避免基站工作状态频繁切换和减少网络市电能耗等方面的有效性。
[Abstract]:In order to meet the increasing demands of high - speed growth and network system capacity , bandwidth and user service quality of mobile data traffic , the coverage breadth and coverage depth of mobile communication network are continuously upgraded , and the deployment density of the base station is increasing . Therefore , effective energy - saving measures have become one of the important targets of mobile communication network . This paper studies the energy saving method of the mobile communication base station based on the power supply of the mobile communication base station , and puts forward the design of the energy saving method of the mobile communication base station in the solar power supply process . The initial solar energy state of the base station , as well as the correlation matrix between the space service cell and the base station , achieves the aim of minimizing the power consumption of the network . At the same time , this paper studies the base station dormancy strategy in HybE - Net .
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5

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