基于能量收集的5G绿色异构无线接入传输策略解析

### 基于能量收集的 5G 绿色异构无线接入传输策略解析 在无线通信领域，多用户共享有限的信道资源是常见的场景。下面将围绕单信道和多信道场景，详细介绍不同场景下的传输策略。 #### 单信道场景 当多个移动用户（MUs）共享有限的信道资源时，可将其建模为单信道场景（M = 1）。解决该场景下问题的传输策略可根据减轻不同 MUs 间干扰的能力进一步分类： - **无碰撞情况**：访问控制旨在通过确保每个 MU 在数据传输期间单独使用信道来消除干扰。 - **有碰撞情况**：若接收器能采用先进的干扰管理技术处理 MUs 间的干扰，访问控制可允许多个 MUs 同时访问一个信道，此时单信道场景退化为传统的多址信道。 ##### 无碰撞传输策略 此场景要求访问策略逐时管理 MUs 的数据传输，避免传输冲突。时分多址（TDMA）是一种可行的调度方案，每个时隙信道仅分配给一个 MU。使用正交码的码分多址（CDMA）也可支持多个 MUs。 - **集中式接入和功率控制** - **基于 CSI 和 ESI 选择 MU**：当 TDMA 以集中方式实现时，控制器在每个时隙根据 MU 的信道状态信息（CSI）和能量状态信息（ESI）选择有效传输速率最高的 MU。即所选 MU 应具备良好的信道条件和电池中有足够的能量。 - **特定策略下的选择过程**：在所有 MUs 具有相同平均能量收集（EH）速率的情况下，选择过程仅取决于信道条件。将信道功率增益区域划分为多个间隔单元，每个信道状态与传输速率一一对应，传输速率决定所需的传输功率。为满足平均功耗约束，需相应设计间隔单元的长度。在每个时隙，控制器选择信道功率增益与间隔单元长度之比最高的 MU。若信道统计信息相同，相当于选择信道功率增益最高的 MU。由于 EH 约束，所选 MU 可能无法以期望速率传输，此时可保持沉默。采用该策略，平均上行吞吐量可达到与传统电源系统相似的性能，即 EH 约束的影响近似消失。 - **另一种 TDMA 传输策略**：上述集中式策略需要所有 MUs 的瞬时 CSI 信息，实现有困难。另一种无需 CSI 的 TDMA 传输策略让 MUs 按固定顺序逐个访问信道并传输。一个传输周期是所有 MUs 各传输一个时隙的总时隙数，等于 MUs 的数量 N。控制器预先分配信道访问指标。为在平均传输周期不超过固定值的约束下最大化期望总速率，最优传输策略是等功率方案，即每个 MU 设置相同的传输功率，该功率取决于所有 MUs 的能量信息；最优传输时间与平均 EH 速率成正比。还有一种等时间方案，将传输周期平均分配给所有 MUs，功率分配采用贪婪算法。当电池容量无限时，等功率方案性能优于等时间方案；电池容量有限时，两者性能相似。 - **分布式接入和功率控制** - **分布式随机接入方案**：集中式算法通常吞吐量性能较好，但中央控制器计算复杂度高，尤其是大规模系统。分布式算法可降低复杂度甚至无需中央控制器。常用的分布式随机接入方案如 ALOHA 和 CSMA 适用于该问题。以所有 N 个 MUs 每个时隙以 1/N 的概率平等竞争信道使用为例，接入变量 $s_n(t)$ 为： \[ s_n(t) = \begin{cases} 1, & \text{with probability (w.p.) } \frac{1}{N} \\ 0, & \text{w.p. } 1 - \frac{1}{N} \end{cases} \] 成功的信道竞争发生在只有一个 MU