本发明涉及一种动态电能调度和自适应用户关联方法，特别是涉及一种供电双连接系统的动态电能调度和自适应用户关联方法。
背景技术：
双连接技术被引入小小区(微微/毫微微小区)增强的研究项目中，通过使用户同时连接至宏小区基站和辅小区基站，来提高频谱效率、改善移动性、并提升用户服务体验。
由混合能源供电的无线接入网络能够通过使用小小区基站配置、洁净、可再生的太阳能、风能等新能源来显著降低主电网(主要由化石燃料发电)的电能消耗，并通过对可再生能源进行电池存储来避免电能溢出并根据动态电价调节电能交易以降低基站电能交易支出。进而，通过主电网电能预先购买、智能电网双向电能交易、电池存储动态调节，实现小区基站的电能供需均衡和系统总电能交易支出的降低。
各小区协调服务用户的数据需求是无线接入网络保证用户服务质量并最小化系统总电能交易支出的一种比较常见方法。然而，在双连接系统中，同频下行传输的辅小区间互相干扰，且不同类型辅小区基站的电路消耗和功率放大器效率不同，小区基站的能耗又正比于提供给用户的总速率。因此，如何基于随机的可再生能量到达、信道衰落、和电网价格，通过协调用户与辅小区的关联，得到用户满意的服务质量并降低系统电能交易支出变得越发重要。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种供电双连接系统的动态电能调度和自适应用户关联方法，其能够通过采用主电网和可再生能源的混合能源供电模式，利用电能预先购买、双向电能交易、电池存储调节，既保证小区基站正常运行又降低主电网电能消耗和运营商电能交易支出。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种供电双连接系统的动态电能调度和自适应用户关联方法，其包括以下步骤：
步骤一，构建包含主电网和可再生能源的混合能源供电双连接系统模型；
步骤二，建立基于可再生能源到达的大时间尺度主电网电能预先购买模型、基于无线信道平均增益的小时间尺度资源分配模型和电能供需均衡模型；
步骤三，构建包含宏小区和多个辅小区的双连接系统用户速率模型、辅小区基站电能供需均衡模型和系统时均电能交易支出模型；
步骤四，基于随机无线信道衰落和可再生能源到达、时变电网电价、电池存储动态、双向电能交易规则、用户服务需求保障、以及系统时均电能交易支出最小化的联合电能调度和用户关联在线优化。
优选地，所述步骤一中混合能源供电双连接系统模型由一个具有多天线的宏小区组成，个辅小区，它们共同服务个单天线的双模移动用户，双模移动用户可同时使用宏小区和一辅小区来完成所需的数据传输业务，即为双连接。
优选地，所述步骤二包括电能预先购买规划、双向电能交易实施和基于双连接的下行数据传输，实际中，为便于集中和应急控制，一个地理区域由特定运营商部署的宏小区和辅小区都通过低延迟回程网络连接至一中央控制器，该中央控制器收集通信数据和能量信息，并协调电能交易和双连接实施。
优选地，所述步骤三包括宏小区、辅小区，考虑系统频谱效率的提升，提议宏小区和辅小区工作在不同的频段上，且辅小区复用相同的频段，其中，宏小区为所有用户提供服务，所有辅小区复用相同的无线频谱，下行传输互相干扰，且与宏小区联合为用户提供满足需求的数据服务，宏小区基站的能耗与其天线数目、传输功率、功率放大器效率，以及某些系数有关，由于宏小区基站的传输功率较为固定，其能耗与配置相关，较为固定，故忽略其能耗对动态系统能耗的影响，辅小区基站处配备无中断的电池类型存储单元以避免功率溢出，并提供优化辅小区总电量支出的机会。
优选地，所述步骤四包括以下内容：
一，初始化：设置权重参数V，队列扰动参数Γ；所有辅小区的电池存储状态Ci(0),并引入虚拟队列Qi(t)＝Ci(t)+Γ,
二，在每个时间间隔τ＝nT,n＝1,2,...的一开始，根据有用的辅小区可再生能源量an＝[A1,n,…,AI,n]′、主电网预先卖出电价买入电价信息，通过使用凸优化方法求解优化问题如下式所示，
中央控制器确定时间间隔n上每个辅小区基站i的预先购买电量进而，辅小区基于和其电池存储状态与主电网交易能量，并在每个时隙t＝τ,…,τ+T-1向主电网请求供应平均值为的电量；
三，在每个时隙t∈[nT,(n+1)T-1]，根据已知的实时电网卖出电价买入电价信道平均衰落信息，通过使用匹配博弈、凸优化方法求解优化问题如下式所示，
辅小区基站i确定从电网实时购买或卖出电量从电池放出或向电池充入电量以及用户与辅小区的关联关系x*(t)，进而，辅小区和主电网基于执行实时电能交易，并协调与用户的关联；
四，在每个时隙t∈[nT,(n+1)T-1]，基于对辅小区基站i的电池进行充放电；从而，电池状态得以更新：并相应地更新虚拟队列Qi(t),
本发明的积极进步效果在于：本发明供电双连接系统的动态电能调度和自适应用户关联方法，其能够利用主电网预先电能购买、智能电网双向电能交易和电池存储调节进行联合的电能调度和用户关联动态优化，在满足用户需求的前提下，可以通过合理使用随机可再生能源到达和时变电网电价，显著地降低系统的时均电能交易支出；通过充分利用多层小小区提供的潜在网络容量，可显著提供频谱效率和能量效率，并提升用户服务质量和移动服务体验；提供的基于两个时间尺度的控制机制通过大时间尺度的预先电能购买，小时间尺度的实时电能供需调节和自适应辅小区用户关联，实现接近最优的、在线的联合电能调度和无线资源分配；该控制机制在满足用户服务质量前提下，能够显著地降低系统的时间平均电能交易支出。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明供电双连接系统的动态电能调度和自适应用户关联方法包括以下步骤：
步骤一，构建包含主电网和可再生能源的混合能源供电双连接系统模型；
步骤二，建立基于可再生能源到达的大时间尺度主电网电能预先购买模型、基于无线信道平均增益的小时间尺度资源分配模型和电能供需均衡模型；
步骤三，构建包含宏小区和多个辅小区(微微/毫微微小区)的双连接系统用户速率模型、辅小区基站电能供需均衡模型和系统时均电能交易支出模型；
步骤四，基于随机无线信道衰落和可再生能源到达、时变电网电价、电池存储动态、双向电能交易规则、用户服务需求保障、以及系统时均电能交易支出最小化的联合电能调度和用户关联在线优化。
所述步骤一中混合能源供电双连接系统模型由一个具有多天线的宏小区组成，个辅小区(如：微微/毫微微小区)，它们共同服务个单天线的双模移动用户，双模移动用户可同时使用宏小区和一辅小区来完成所需的数据传输业务，即为双连接；假设宏小区基站和辅小区基站都使用智能电网基础设施下的传统电力供给，同时，每个辅小区都配置有可再生能源收集装置(如：太阳能板，风轮机)，和能量存储装置，即为电池，以优化使用收集到的能量，此外，由于可再生能源到达过程较缓慢于无线信道的平均衰落变化，定义基于无线信道平均衰落和可再生能源达到的双时间尺度的控制机制，具体地，时间被划分为小于信道平均衰落(主要包括路径损耗和对数阴影衰落影响)长度的小时间尺度——时隙(slots)，和与较缓慢的可再生能源到达时长一致的大时间尺度——时间间隔(intervals)，且每个时间间隔包含T个时隙。
所述步骤二包括电能预先购买规划、双向电能交易实施和基于双连接的下行数据传输；实际中，为便于集中和应急控制，一个地理区域由特定运营商部署的宏小区和辅小区都通过低延迟回程网络连接至一中央控制器，该中央控制器收集通信数据和能量信息(能量购买/卖出价格)，并协调电能交易和双连接实施；具体地，在每个时间间隔t＝nT,n＝1,2,…的一开始，中央控制单元的能量规划器根据每个辅小区基站i的可再生能量收集情况Ai,n，确定它在该时间间隔上的所需能量Ei[n]；根据双向电能交易机制，辅小区基站基于电池存储状态，或以长期价格向主电网购买能量[Ei[n]-Ai,n]+，或以价格向主电网卖出多余能量[Ai,n-Ei[n]]+，其中[a]+＝max{a,0}，以降低运行成本；假设可再生能源部署后的能量收集是无成本的，且以避免辅小区基站无意义的电能买卖活动，因此，辅小区基站i的预先能量规划交易成本可表示为如下式(1)所示，
其中，Ei[n]表示时间间隔n上辅小区基站i所需能量；G(lt)(Ei[n])表示辅小区基站i的预先能量规划交易成本；是时间间隔n上的主电网电能预先卖出价格；Ai,n是辅小区基站i在时间间隔n上的可再生能源收集量；是时间间隔n上的主电网电能预先买入价格。
在每个时隙，根据辅小区基站的电能购买、电池存储状态、无线信道平均衰落和实时电网电价，辅小区和宏小区协调服务所有用户的数据传输请求、与主电网进行双向电能交易、并对电池进行充放电调节，实时能量交易成本表示为如下式(2)所示，
其中，G(rt)(Pi(t))是辅小区i的实时能量交易成本；Pi(t)表示从主电网实时买入能量(Pi(t)＞0)或卖向主电网的实时能量(Pi(t)＜0)；和分别表示实时的主电网电能卖出和买入价格。
其中Pi(t)表示从主电网实时买入电量(Pi(t)＞0)或卖向主电网的实时电量(Pi(t)＜0)，和分别表示实时的电能购买和卖出价格。
所述步骤三包括宏小区、辅小区，考虑系统频谱效率的提升，提议宏小区和辅小区工作在不同的频段上，且辅小区复用相同的频段，其中，宏小区为所有用户提供服务，每个用户从宏小区得到的瞬时速率R0,k与宏小区的频谱、天线、以及其传输功率配置相关，且时隙上的平均速率r0,k为瞬时速率对总用户数目K取平均值，即为r0,k＝R0,k/K；宏小区基站的能耗与其天线数目、传输功率、功率放大器效率，以及某些系数有关，由于宏小区基站的传输功率较为固定，其能耗与配置相关，较为固定，故忽略其能耗对动态系统能耗的影响；所有辅小区复用相同的无线频谱，下行传输互相干扰，且与宏小区联合为用户提供满足需求的数据服务，具体地，若用户k关联至辅小区基站i，即xi,k＝1，其在一个时隙上的平均速率为ri,k＝Ri,k/Ki，其中Ri，k如下式(3)所示为瞬时服务速率，Ws为所有辅小区的复用频谱，Pi和Ki分别为辅小区基站i在当前时隙的下行传输功率和服务用户总数目，gi,k为用户k和辅小区基站i间的平均信道衰落，表示用户k处的噪声功率；辅小区基站i在时隙t的功耗为如下式(4)所示，其中Pi,0为小区基站i的单位速率电路功耗，ηi为功率放大器效率，μi为与服务用户总速率相关的电路功耗系数；
其中，Ws为所有辅小区的复用频谱；Ptr,i和Ptr,j分别为辅小区基站i和j在当前时隙的下行传输功率；xi,k表示用户k是否关联至辅小区基站i，如果是，xi,k＝1，否则，xi,k＝0；gi,k和gj,k分别为辅小区基站i和j与用户k间的平均信道衰落，表示用户k处的噪声功率。
辅小区基站i在时隙t的功耗为如下式(4)所示，
其中，Pi,0为辅小区基站i的单位速率电路功耗；ηi为功率放大器效率；Ptr,i是辅小区基站i当前时隙的下行传输功率；μi为与服务用户总速率相关的电路功耗系数。
辅小区基站处配备无中断的电池类型存储单元以避免功率溢出，并提供优化辅小区总电量支出的机会，以辅小区基站i的电池为例，令Ci(0)表示初始的存储能量，Ci(t)是在时隙t开始时的电池状态，且电池容量以Cmin和Cmax为上下界，令Pb,i(t)表示时隙t注入电池(Pb,i(t)＞0)或从电池放出(Pb,i(t)＜0)的能量，且存储的电能服从动态方程如下式(5)和下式(6)所示，
Ci(t+1)＝θCi(t)+Pb,i(t).....(5)
Cmin≤Ci(t)≤Cmax......(6)
其中，θ∈(0,1]表示存储效率；Ci(t)和Ci(t+1)在分别是时隙t和t+1开始时辅小区基站i的电池状态；Pb,i(t)表示时隙t辅小区基站i注入电池(Pb,i(t)＞0)或从电池放出(Pb,i(t)＜0)的能量；Cmin和Cmax分别是辅小区基站i的电池容量上下界。
其中，其中θ∈(0,1]表示存储效率；每个时隙t，用户对辅小区的关联速率要求r0,k+ri,k≥rk,req，每个辅小区基站i的电能供需均衡如下式(7)所示，
Pg,i(t)+Pb,i(t)＝Ei[nt]/T+Pi(t)......(7)
其中，T表示总时间长度；Ei[nt]表示时间间隔nt上辅小区基站i所需能量；Pg,i(t)是时隙t辅小区基站i的总功耗；Pb,i(t)表示时隙t辅小区基站i注入电池(Pb,i(t)＞0)或从电池放出(Pb,i(t)＜0)的能量；Pi(t)表示辅小区基站i从主电网实时买入能量(Pi(t)＞0)或卖向主电网的实时能量(Pi(t)＜0)。
其中，和最小化系统时均总能耗交易成本如下式(8)所示的优化目标，共同制约着用户和辅小区之间的关联关系，
其中Φi(t)如下式(9)所示，Φi(t)表示辅小区基站i在时隙t的能量交易成本。
Φi(t)＝(1/T)G(lt)(Ei[nt])+G(rt)(Pi(t))......(9)
其中，T为时间间隔长度；G(lt)(Ei[n])和G(rt)(Pi(t))分别是辅小区时i的长期和实时电能交易成本，分别如式(1)和(2)所示。
所述步骤四包括以下内容：
一，初始化：设置权重参数V，队列扰动参数Γ；所有辅小区的电池存储状态Ci(0),并引入虚拟队列Qi(t)＝Ci(t)+Γ,
二，在每个时间间隔τ＝nT,n＝1,2,…的一开始，根据有用的辅小区可再生能源量an＝[A1,n,…,AI,n]′、主电网预先卖出电价买入电价信息，通过使用凸优化方法(如：内点法)求解优化问题如下式(10)所示，
其中，V是权重参数；Qi(τ)是辅小区基站i的虚拟队列在时隙t的大小；G(lt)(Ei[n])和G(rt)(Pi(t))分别是辅小区i的长期和实时能量交易成本，分别如式(1)和(2)所示；r0,k(t)和ri,k(t)分别是用户k从宏小区和关联的辅小区i得到的时隙平均速率；xi,k(t)表示该时隙用户k是否关联至辅小区i，如果是，xi,k＝1，否则，xi,k＝0；rk,req(t)表示用户的最低速率要求。C1是用户的服务质量约束，C2是如式(4)所示的辅小区基站的功耗约束，C3是电池充放电约束，C4是如式(7)所示的辅小区基站电能供需均衡约束。
中央控制器确定时间间隔n上每个辅小区基站i的预先购买电量进而，辅小区基于和其电池存储状态与主电网交易能量，并在每个时隙t＝τ,…,τ+T-1向主电网请求供应平均值为的电量；
三，在每个时隙t∈[nT,(n+1)T-1]，根据已知的实时电网卖出电价买入电价信道平均衰落信息，通过使用匹配博弈、凸优化方法求解优化问题如下式(11)所示，
其中，Qi(nT)是辅小区基站i的虚拟队列在时隙nT的大小，其他参数如式(10)下方所示。
辅小区基站i确定从电网实时购买或卖出电量从电池放出或向电池充入电量以及用户与辅小区的关联关系x*(t)，进而，辅小区和主电网基于执行实时电能交易，并协调与用户的关联；
四，在每个时隙t∈[nT,(n+1)T-1]，基于对辅小区基站i的电池进行充放电；从而，电池状态得以更新：并相应地更新虚拟队列Qi(t),
本发明提出的利用主电网预先电能购买、智能电网双向电能交易和电池存储调节进行联合的电能调度和用户关联动态优化，在满足用户需求的前提下，可以通过合理使用随机可再生能源到达和时变电网电价，显著地降低系统的时均电能交易支出。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。