本發(fā)明涉及一種動態(tài)電能調(diào)度和自適應(yīng)用戶關(guān)聯(lián)方法，特別是涉及一種供電雙連接系統(tǒng)的動態(tài)電能調(diào)度和自適應(yīng)用戶關(guān)聯(lián)方法。

背景技術(shù)：

雙連接技術(shù)被引入小小區(qū)(微微/毫微微小區(qū))增強(qiáng)的研究項目中，通過使用戶同時連接至宏小區(qū)基站和輔小區(qū)基站，來提高頻譜效率、改善移動性、并提升用戶服務(wù)體驗。

由混合能源供電的無線接入網(wǎng)絡(luò)能夠通過使用小小區(qū)基站配置、潔凈、可再生的太陽能、風(fēng)能等新能源來顯著降低主電網(wǎng)(主要由化石燃料發(fā)電)的電能消耗，并通過對可再生能源進(jìn)行電池存儲來避免電能溢出并根據(jù)動態(tài)電價調(diào)節(jié)電能交易以降低基站電能交易支出。進(jìn)而，通過主電網(wǎng)電能預(yù)先購買、智能電網(wǎng)雙向電能交易、電池存儲動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)小區(qū)基站的電能供需均衡和系統(tǒng)總電能交易支出的降低。

各小區(qū)協(xié)調(diào)服務(wù)用戶的數(shù)據(jù)需求是無線接入網(wǎng)絡(luò)保證用戶服務(wù)質(zhì)量并最小化系統(tǒng)總電能交易支出的一種比較常見方法。然而，在雙連接系統(tǒng)中，同頻下行傳輸?shù)妮o小區(qū)間互相干擾，且不同類型輔小區(qū)基站的電路消耗和功率放大器效率不同，小區(qū)基站的能耗又正比于提供給用戶的總速率。因此，如何基于隨機(jī)的可再生能量到達(dá)、信道衰落、和電網(wǎng)價格，通過協(xié)調(diào)用戶與輔小區(qū)的關(guān)聯(lián)，得到用戶滿意的服務(wù)質(zhì)量并降低系統(tǒng)電能交易支出變得越發(fā)重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種供電雙連接系統(tǒng)的動態(tài)電能調(diào)度和自適應(yīng)用戶關(guān)聯(lián)方法，其能夠通過采用主電網(wǎng)和可再生能源的混合能源供電模式，利用電能預(yù)先購買、雙向電能交易、電池存儲調(diào)節(jié)，既保證小區(qū)基站正常運行又降低主電網(wǎng)電能消耗和運營商電能交易支出。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：一種供電雙連接系統(tǒng)的動態(tài)電能調(diào)度和自適應(yīng)用戶關(guān)聯(lián)方法，其包括以下步驟：

步驟一，構(gòu)建包含主電網(wǎng)和可再生能源的混合能源供電雙連接系統(tǒng)模型；

步驟二，建立基于可再生能源到達(dá)的大時間尺度主電網(wǎng)電能預(yù)先購買模型、基于無線信道平均增益的小時間尺度資源分配模型和電能供需均衡模型；

步驟三，構(gòu)建包含宏小區(qū)和多個輔小區(qū)的雙連接系統(tǒng)用戶速率模型、輔小區(qū)基站電能供需均衡模型和系統(tǒng)時均電能交易支出模型；

步驟四，基于隨機(jī)無線信道衰落和可再生能源到達(dá)、時變電網(wǎng)電價、電池存儲動態(tài)、雙向電能交易規(guī)則、用戶服務(wù)需求保障、以及系統(tǒng)時均電能交易支出最小化的聯(lián)合電能調(diào)度和用戶關(guān)聯(lián)在線優(yōu)化。

優(yōu)選地，所述步驟一中混合能源供電雙連接系統(tǒng)模型由一個具有多天線的宏小區(qū)組成，個輔小區(qū)，它們共同服務(wù)個單天線的雙模移動用戶，雙模移動用戶可同時使用宏小區(qū)和一輔小區(qū)來完成所需的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，即為雙連接。

優(yōu)選地，所述步驟二包括電能預(yù)先購買規(guī)劃、雙向電能交易實施和基于雙連接的下行數(shù)據(jù)傳輸，實際中，為便于集中和應(yīng)急控制，一個地理區(qū)域由特定運營商部署的宏小區(qū)和輔小區(qū)都通過低延遲回程網(wǎng)絡(luò)連接至一中央控制器，該中央控制器收集通信數(shù)據(jù)和能量信息，并協(xié)調(diào)電能交易和雙連接實施。

優(yōu)選地，所述步驟三包括宏小區(qū)、輔小區(qū)，考慮系統(tǒng)頻譜效率的提升，提議宏小區(qū)和輔小區(qū)工作在不同的頻段上，且輔小區(qū)復(fù)用相同的頻段，其中，宏小區(qū)為所有用戶提供服務(wù)，所有輔小區(qū)復(fù)用相同的無線頻譜，下行傳輸互相干擾，且與宏小區(qū)聯(lián)合為用戶提供滿足需求的數(shù)據(jù)服務(wù)，宏小區(qū)基站的能耗與其天線數(shù)目、傳輸功率、功率放大器效率，以及某些系數(shù)有關(guān)，由于宏小區(qū)基站的傳輸功率較為固定，其能耗與配置相關(guān)，較為固定，故忽略其能耗對動態(tài)系統(tǒng)能耗的影響，輔小區(qū)基站處配備無中斷的電池類型存儲單元以避免功率溢出，并提供優(yōu)化輔小區(qū)總電量支出的機(jī)會。

優(yōu)選地，所述步驟四包括以下內(nèi)容：

一，初始化：設(shè)置權(quán)重參數(shù)V，隊列擾動參數(shù)Γ；所有輔小區(qū)的電池存儲狀態(tài)C_i(0),并引入虛擬隊列Q_i(t)＝C_i(t)+Γ,

二，在每個時間間隔τ＝nT,n＝1,2,...的一開始，根據(jù)有用的輔小區(qū)可再生能源量aⁿ＝[A_1,n,…,A_I,n]′、主電網(wǎng)預(yù)先賣出電價買入電價信息，通過使用凸優(yōu)化方法求解優(yōu)化問題如下式所示，

中央控制器確定時間間隔n上每個輔小區(qū)基站i的預(yù)先購買電量進(jìn)而，輔小區(qū)基于和其電池存儲狀態(tài)與主電網(wǎng)交易能量，并在每個時隙t＝τ,…,τ+T-1向主電網(wǎng)請求供應(yīng)平均值為的電量；

三，在每個時隙t∈[nT,(n+1)T-1]，根據(jù)已知的實時電網(wǎng)賣出電價買入電價信道平均衰落信息，通過使用匹配博弈、凸優(yōu)化方法求解優(yōu)化問題如下式所示，

輔小區(qū)基站i確定從電網(wǎng)實時購買或賣出電量從電池放出或向電池充入電量以及用戶與輔小區(qū)的關(guān)聯(lián)關(guān)系x^*(t)，進(jìn)而，輔小區(qū)和主電網(wǎng)基于執(zhí)行實時電能交易，并協(xié)調(diào)與用戶的關(guān)聯(lián)；

四，在每個時隙t∈[nT,(n+1)T-1]，基于對輔小區(qū)基站i的電池進(jìn)行充放電；從而，電池狀態(tài)得以更新：并相應(yīng)地更新虛擬隊列Q_i(t),

本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：本發(fā)明供電雙連接系統(tǒng)的動態(tài)電能調(diào)度和自適應(yīng)用戶關(guān)聯(lián)方法，其能夠利用主電網(wǎng)預(yù)先電能購買、智能電網(wǎng)雙向電能交易和電池存儲調(diào)節(jié)進(jìn)行聯(lián)合的電能調(diào)度和用戶關(guān)聯(lián)動態(tài)優(yōu)化，在滿足用戶需求的前提下，可以通過合理使用隨機(jī)可再生能源到達(dá)和時變電網(wǎng)電價，顯著地降低系統(tǒng)的時均電能交易支出；通過充分利用多層小小區(qū)提供的潛在網(wǎng)絡(luò)容量，可顯著提供頻譜效率和能量效率，并提升用戶服務(wù)質(zhì)量和移動服務(wù)體驗；提供的基于兩個時間尺度的控制機(jī)制通過大時間尺度的預(yù)先電能購買，小時間尺度的實時電能供需調(diào)節(jié)和自適應(yīng)輔小區(qū)用戶關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)接近最優(yōu)的、在線的聯(lián)合電能調(diào)度和無線資源分配；該控制機(jī)制在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量前提下，能夠顯著地降低系統(tǒng)的時間平均電能交易支出。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1所示，本發(fā)明供電雙連接系統(tǒng)的動態(tài)電能調(diào)度和自適應(yīng)用戶關(guān)聯(lián)方法包括以下步驟：

步驟一，構(gòu)建包含主電網(wǎng)和可再生能源的混合能源供電雙連接系統(tǒng)模型；

步驟二，建立基于可再生能源到達(dá)的大時間尺度主電網(wǎng)電能預(yù)先購買模型、基于無線信道平均增益的小時間尺度資源分配模型和電能供需均衡模型；

步驟三，構(gòu)建包含宏小區(qū)和多個輔小區(qū)(微微/毫微微小區(qū))的雙連接系統(tǒng)用戶速率模型、輔小區(qū)基站電能供需均衡模型和系統(tǒng)時均電能交易支出模型；

步驟四，基于隨機(jī)無線信道衰落和可再生能源到達(dá)、時變電網(wǎng)電價、電池存儲動態(tài)、雙向電能交易規(guī)則、用戶服務(wù)需求保障、以及系統(tǒng)時均電能交易支出最小化的聯(lián)合電能調(diào)度和用戶關(guān)聯(lián)在線優(yōu)化。

所述步驟一中混合能源供電雙連接系統(tǒng)模型由一個具有多天線的宏小區(qū)組成，個輔小區(qū)(如：微微/毫微微小區(qū))，它們共同服務(wù)個單天線的雙模移動用戶，雙模移動用戶可同時使用宏小區(qū)和一輔小區(qū)來完成所需的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，即為雙連接；假設(shè)宏小區(qū)基站和輔小區(qū)基站都使用智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施下的傳統(tǒng)電力供給，同時，每個輔小區(qū)都配置有可再生能源收集裝置(如：太陽能板，風(fēng)輪機(jī))，和能量存儲裝置，即為電池，以優(yōu)化使用收集到的能量，此外，由于可再生能源到達(dá)過程較緩慢于無線信道的平均衰落變化，定義基于無線信道平均衰落和可再生能源達(dá)到的雙時間尺度的控制機(jī)制，具體地，時間被劃分為小于信道平均衰落(主要包括路徑損耗和對數(shù)陰影衰落影響)長度的小時間尺度——時隙(slots)，和與較緩慢的可再生能源到達(dá)時長一致的大時間尺度——時間間隔(intervals)，且每個時間間隔包含T個時隙。

所述步驟二包括電能預(yù)先購買規(guī)劃、雙向電能交易實施和基于雙連接的下行數(shù)據(jù)傳輸；實際中，為便于集中和應(yīng)急控制，一個地理區(qū)域由特定運營商部署的宏小區(qū)和輔小區(qū)都通過低延遲回程網(wǎng)絡(luò)連接至一中央控制器，該中央控制器收集通信數(shù)據(jù)和能量信息(能量購買/賣出價格)，并協(xié)調(diào)電能交易和雙連接實施；具體地，在每個時間間隔t＝nT,n＝1,2,…的一開始，中央控制單元的能量規(guī)劃器根據(jù)每個輔小區(qū)基站i的可再生能量收集情況A_i,n，確定它在該時間間隔上的所需能量E_i[n]；根據(jù)雙向電能交易機(jī)制，輔小區(qū)基站基于電池存儲狀態(tài)，或以長期價格向主電網(wǎng)購買能量[E_i[n]-A_i,n]⁺，或以價格向主電網(wǎng)賣出多余能量[A_i,n-E_i[n]]⁺，其中[a]⁺＝max{a,0}，以降低運行成本；假設(shè)可再生能源部署后的能量收集是無成本的，且以避免輔小區(qū)基站無意義的電能買賣活動，因此，輔小區(qū)基站i的預(yù)先能量規(guī)劃交易成本可表示為如下式(1)所示，

其中，E_i[n]表示時間間隔n上輔小區(qū)基站i所需能量；G^(lt)(E_i[n])表示輔小區(qū)基站i的預(yù)先能量規(guī)劃交易成本；是時間間隔n上的主電網(wǎng)電能預(yù)先賣出價格；A_i,n是輔小區(qū)基站i在時間間隔n上的可再生能源收集量；是時間間隔n上的主電網(wǎng)電能預(yù)先買入價格。

在每個時隙，根據(jù)輔小區(qū)基站的電能購買、電池存儲狀態(tài)、無線信道平均衰落和實時電網(wǎng)電價，輔小區(qū)和宏小區(qū)協(xié)調(diào)服務(wù)所有用戶的數(shù)據(jù)傳輸請求、與主電網(wǎng)進(jìn)行雙向電能交易、并對電池進(jìn)行充放電調(diào)節(jié)，實時能量交易成本表示為如下式(2)所示，

其中，G^(rt)(P_i(t))是輔小區(qū)i的實時能量交易成本；P_i(t)表示從主電網(wǎng)實時買入能量(P_i(t)＞0)或賣向主電網(wǎng)的實時能量(P_i(t)＜0)；和分別表示實時的主電網(wǎng)電能賣出和買入價格。

其中P_i(t)表示從主電網(wǎng)實時買入電量(P_i(t)＞0)或賣向主電網(wǎng)的實時電量(P_i(t)＜0)，和分別表示實時的電能購買和賣出價格。

所述步驟三包括宏小區(qū)、輔小區(qū)，考慮系統(tǒng)頻譜效率的提升，提議宏小區(qū)和輔小區(qū)工作在不同的頻段上，且輔小區(qū)復(fù)用相同的頻段，其中，宏小區(qū)為所有用戶提供服務(wù)，每個用戶從宏小區(qū)得到的瞬時速率R_0,k與宏小區(qū)的頻譜、天線、以及其傳輸功率配置相關(guān)，且時隙上的平均速率r_0,k為瞬時速率對總用戶數(shù)目K取平均值，即為r_0,k＝R_0,k/K；宏小區(qū)基站的能耗與其天線數(shù)目、傳輸功率、功率放大器效率，以及某些系數(shù)有關(guān)，由于宏小區(qū)基站的傳輸功率較為固定，其能耗與配置相關(guān)，較為固定，故忽略其能耗對動態(tài)系統(tǒng)能耗的影響；所有輔小區(qū)復(fù)用相同的無線頻譜，下行傳輸互相干擾，且與宏小區(qū)聯(lián)合為用戶提供滿足需求的數(shù)據(jù)服務(wù)，具體地，若用戶k關(guān)聯(lián)至輔小區(qū)基站i，即x_i,k＝1，其在一個時隙上的平均速率為r_i,k＝R_i,k/K_i，其中R_i，k如下式(3)所示為瞬時服務(wù)速率，W_s為所有輔小區(qū)的復(fù)用頻譜，P_i和K_i分別為輔小區(qū)基站i在當(dāng)前時隙的下行傳輸功率和服務(wù)用戶總數(shù)目，g_i,k為用戶k和輔小區(qū)基站i間的平均信道衰落，表示用戶k處的噪聲功率；輔小區(qū)基站i在時隙t的功耗為如下式(4)所示，其中P_i,0為小區(qū)基站i的單位速率電路功耗，η_i為功率放大器效率，μ_i為與服務(wù)用戶總速率相關(guān)的電路功耗系數(shù)；

其中，W_s為所有輔小區(qū)的復(fù)用頻譜；P_tr,i和P_tr,j分別為輔小區(qū)基站i和j在當(dāng)前時隙的下行傳輸功率；x_i,k表示用戶k是否關(guān)聯(lián)至輔小區(qū)基站i，如果是，x_i,k＝1，否則，x_i,k＝0；g_i,k和g_j,k分別為輔小區(qū)基站i和j與用戶k間的平均信道衰落，表示用戶k處的噪聲功率。

輔小區(qū)基站i在時隙t的功耗為如下式(4)所示，

其中，P_i,0為輔小區(qū)基站i的單位速率電路功耗；η_i為功率放大器效率；P_tr,i是輔小區(qū)基站i當(dāng)前時隙的下行傳輸功率；μ_i為與服務(wù)用戶總速率相關(guān)的電路功耗系數(shù)。

輔小區(qū)基站處配備無中斷的電池類型存儲單元以避免功率溢出，并提供優(yōu)化輔小區(qū)總電量支出的機(jī)會，以輔小區(qū)基站i的電池為例，令C_i(0)表示初始的存儲能量，C_i(t)是在時隙t開始時的電池狀態(tài)，且電池容量以C^min和C^max為上下界，令P_b,i(t)表示時隙t注入電池(P_b,i(t)＞0)或從電池放出(P_b,i(t)＜0)的能量，且存儲的電能服從動態(tài)方程如下式(5)和下式(6)所示，

C_i(t+1)＝θC_i(t)+P_b,i(t).....(5)

C^min≤C_i(t)≤C^max......(6)

其中，θ∈(0,1]表示存儲效率；C_i(t)和C_i(t+1)在分別是時隙t和t+1開始時輔小區(qū)基站i的電池狀態(tài)；P_b,i(t)表示時隙t輔小區(qū)基站i注入電池(P_b,i(t)＞0)或從電池放出(P_b,i(t)＜0)的能量；C^min和C^max分別是輔小區(qū)基站i的電池容量上下界。

其中，其中θ∈(0,1]表示存儲效率；每個時隙t，用戶對輔小區(qū)的關(guān)聯(lián)速率要求r_0,k+r_i,k≥r_k,req，每個輔小區(qū)基站i的電能供需均衡如下式(7)所示，

P_g,i(t)+P_b,i(t)＝E_i[n_t]/T+P_i(t)......(7)

其中，T表示總時間長度；E_i[n_t]表示時間間隔n_t上輔小區(qū)基站i所需能量；P_g,_i(t)是時隙t輔小區(qū)基站i的總功耗；P_b,i(t)表示時隙t輔小區(qū)基站i注入電池(P_b,i(t)＞0)或從電池放出(P_b,i(t)＜0)的能量；P_i(t)表示輔小區(qū)基站i從主電網(wǎng)實時買入能量(P_i(t)＞0)或賣向主電網(wǎng)的實時能量(P_i(t)＜0)。

其中，和最小化系統(tǒng)時均總能耗交易成本如下式(8)所示的優(yōu)化目標(biāo)，共同制約著用戶和輔小區(qū)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，

其中Φ_i(t)如下式(9)所示，Φ_i(t)表示輔小區(qū)基站i在時隙t的能量交易成本。

Φ_i(t)＝(1/T)G^(lt)(E_i[n_t])+G^(rt)(P_i(t))......(9)

其中，T為時間間隔長度；G^(lt)(E_i[n])和G^(rt)(P_i(t))分別是輔小區(qū)時i的長期和實時電能交易成本，分別如式(1)和(2)所示。

所述步驟四包括以下內(nèi)容：

一，初始化：設(shè)置權(quán)重參數(shù)V，隊列擾動參數(shù)Γ；所有輔小區(qū)的電池存儲狀態(tài)C_i(0),并引入虛擬隊列Q_i(t)＝C_i(t)+Γ,

二，在每個時間間隔τ＝nT,n＝1,2,…的一開始，根據(jù)有用的輔小區(qū)可再生能源量aⁿ＝[A_1,n,…,A_I,n]′、主電網(wǎng)預(yù)先賣出電價買入電價信息，通過使用凸優(yōu)化方法(如：內(nèi)點法)求解優(yōu)化問題如下式(10)所示，

其中，V是權(quán)重參數(shù)；Q_i(τ)是輔小區(qū)基站i的虛擬隊列在時隙t的大小；G^(lt)(E_i[n])和G^(rt)(P_i(t))分別是輔小區(qū)i的長期和實時能量交易成本，分別如式(1)和(2)所示；r_0,k(t)和r_i,k(t)分別是用戶k從宏小區(qū)和關(guān)聯(lián)的輔小區(qū)i得到的時隙平均速率；x_i,k(t)表示該時隙用戶k是否關(guān)聯(lián)至輔小區(qū)i，如果是，x_i,k＝1，否則，x_i,k＝0；r_k,req(t)表示用戶的最低速率要求。C1是用戶的服務(wù)質(zhì)量約束，C2是如式(4)所示的輔小區(qū)基站的功耗約束，C3是電池充放電約束，C4是如式(7)所示的輔小區(qū)基站電能供需均衡約束。

中央控制器確定時間間隔n上每個輔小區(qū)基站i的預(yù)先購買電量進(jìn)而，輔小區(qū)基于和其電池存儲狀態(tài)與主電網(wǎng)交易能量，并在每個時隙t＝τ,…,τ+T-1向主電網(wǎng)請求供應(yīng)平均值為的電量；

三，在每個時隙t∈[nT,(n+1)T-1]，根據(jù)已知的實時電網(wǎng)賣出電價買入電價信道平均衰落信息，通過使用匹配博弈、凸優(yōu)化方法求解優(yōu)化問題如下式(11)所示，

其中，Q_i(nT)是輔小區(qū)基站i的虛擬隊列在時隙nT的大小，其他參數(shù)如式(10)下方所示。

輔小區(qū)基站i確定從電網(wǎng)實時購買或賣出電量從電池放出或向電池充入電量以及用戶與輔小區(qū)的關(guān)聯(lián)關(guān)系x^*(t)，進(jìn)而，輔小區(qū)和主電網(wǎng)基于執(zhí)行實時電能交易，并協(xié)調(diào)與用戶的關(guān)聯(lián)；

四，在每個時隙t∈[nT,(n+1)T-1]，基于對輔小區(qū)基站i的電池進(jìn)行充放電；從而，電池狀態(tài)得以更新：并相應(yīng)地更新虛擬隊列Q_i(t),

本發(fā)明提出的利用主電網(wǎng)預(yù)先電能購買、智能電網(wǎng)雙向電能交易和電池存儲調(diào)節(jié)進(jìn)行聯(lián)合的電能調(diào)度和用戶關(guān)聯(lián)動態(tài)優(yōu)化，在滿足用戶需求的前提下，可以通過合理使用隨機(jī)可再生能源到達(dá)和時變電網(wǎng)電價，顯著地降低系統(tǒng)的時均電能交易支出。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。