基于Lyapunov优化的基站动态能量管理算法研究

作     者：马丽纳 

作者单位：广西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘迪迪

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：能量收集 能量管理 能量协作 时变电价 Lyapunov优化 

摘      要：随着移动互联网的快速发展以及新型移动设备的驱动,移动数据流量呈爆炸性增长,急剧增长的数据流量导致大量的能量消耗,并伴随大量的二氧化碳排放,同时给蜂窝网络运营商带来了高额的能耗成本。为缓解能耗和环境问题,能量收集（EH,energy harvesting）技术发展迅速,该技术将周边环境中的免费可再生清洁能源引入蜂窝网络中,减少了蜂窝网络的传统能耗及其伴随的碳排放量,并有效的降低了蜂窝网络运营商的能耗成本。但由于收集的能量具有间歇性和随机性,为降低蜂窝网络能耗的同时保证其稳定运行,EH源和电网混合供电的方式成为极具吸引力的方案。本文研究智能电网供电下EH蜂窝网络的动态能量管理问题,旨在降低非可再生能源能耗和成本。基于智能电网的特征（时变电价等）,构建智能电网供电下EH基站模型,运用Lyapunov优化方法设计EH过程、能量需求、时变电价统计特性未知情况下EH基站最优能量管理的一般算法;在此基础上构建多个EH基站的能量协作模型,设计基站间的实时能量协作算法,从而降低蜂窝网络传统能源消耗和能量成本、改善环境,推进绿色蜂窝网络的发展。本文主要工作如下:1.首先,深入分析并总结通信领域中能量管理研究的国内外现状,详细介绍了EH蜂窝网络中涉及的EH技术,包括该技术的分类和能量模型,针对能量随机到达模型中涉及的队列的相关理论知识进行了介绍,最后针对确知能量收集模型和能量随机到达模型分别介绍了能量管理的研究方法,为蜂窝网络中EH基站能量管理的研究给出了理论依据。2.研究EH基站在智能电网时变电价下的基站模型和动态能量管理方案。为保证基站的稳定运行,智能电网作为基站能源的补充。综合考虑能量收集、能量需求、时变电价均为一般随机过程（概率分布未知）以及电池容量有限等情况,构建智能电网作为能源补充的EH基站模型,基于Lyapunov优化提出了基站非弹性能量需求和弹性能量需求两种情况下基站能耗成本最小的动态能量管理算法,包括从不同能量源获取能量的调度问题,以及根据电价和当前状态,实时决策从智能电网购买多少能量存储在充电电池中以备电价高且收集的能量不能满足需求时使用,从而减小基站的能耗成本。从理论上分析了算法的有效性,并通过仿真进行了验证,最后分析了电池容量大小对算法性能的影响。3.基于以上单基站模型,研究多个EH基站的能量协作模型和实时能量协作算法。考虑基站所处的地理位置不同带来的能量收集的差异,以及各基站的任务和能力各异、其储能电池容量受限,构建属于同一移动运营商（如中国移动或者中国联通）基站间相互分享EH能量的协作模型,根据各基站的状态,包括能量收集、能量需求、储备的能量、能量分享的损耗以及智能电网当前的电价,基于Lyapunov优化提出了基站非弹性能量需求和弹性能量需求两种情况下的实时能量协作算法,目的是提高收集的免费能量的利用率,最小化基站从智能电网能耗成本的总和,从理论和仿真上验证了算法的有效性,最后分析了电池容量以及传输效率对算法性能的影响。