能量收集无线通信 || 下一代蜂窝网络中的能量收集

摘要： 为应对移动流量的爆炸式增长，下一代蜂窝网络除部署宏基站（MBS）外，还将增设更多小蜂窝基站（SBS）。由此形成的异构网络（HetNet）虽能提升容量，但密集部署的SBS也带来了更高能耗。实际上，由于无线业务负载的动态变化，许多基站因功率放大器等组件几乎始终以峰值功率运行，即便处于轻载状态。这些基站又因覆盖需求难以关闭。针对该问题，本章提出超蜂窝网络（HCN）新架构，其核心思想是将控制信令功能与数据传输功能解耦，使数据覆盖能更灵活地匹配业务动态。在HCN中，SBS仅用于高速率数据传输，而MBS保障网络覆盖并提供低速率服务，因此可放心关闭SBS节能而不影响用户覆盖。为此，其本质是通过可再生能源进一步为SBS供电以减少电网消耗。但由于可再生能源的随机性，管理无线资源及能量收集（EH）基站的开关状态具有挑战性，在HCN中更为复杂：首先，不同类型SBS可能配置各异能源，导致空间上能量到达统计不均；其次，业务负载在不同基站层级间分布不均，且与时空域的能量到达不匹配。因此，在第四章技术基础上，HCN通过联合优化SBS工作状态与用户业务分流，实现随机能量到达与时空业务负载变化的动态匹配。虽然业务分流在电网供电蜂窝网络中已有研究，但传统方法未考虑基站能量状态故不可直接应用，需设计能量感知的分流方案——现有方案分别针对单层同构网络和含单个可再生能源SBS的两层HCN。本章第一部分将阐述：在多类型SBS（由不同能源供电）场景下，如何协调层级间业务分流与SBS开关切换，以最小化全网电网功耗同时满足用户服务质量（QoS）要求。下一代蜂窝网络的新兴技术还包括采用主动服务（如推送）的边缘缓存。主动缓存与推送最初旨在减少重复内容传输以降低核心网负载和内容交付时延，对解决可再生能源SBS中的能量-业务失配同样有益：当收集到足够能量时，可将内容提前缓存在SBS存储中并推送给用户，即使实际需求时刻SBS无传输能量，用户仍能成功获取内容，从而避免电池溢出造成的能源浪费，实现能量沿时间轴向未来的有效转移以匹配业务需求。本章第二部分将展示主动服务与EH-HCN的融合概念，并详细研究基于能量收集SBS的内容推送最优策略设计。