【關(guān)鍵詞】無線供電；混合多址接入網(wǎng)絡(luò)；最優(yōu)能效資源；分配

引言

在無線供電混合多址接入網(wǎng)絡(luò)中，資源分配問題復(fù)雜，需同時(shí)考慮能量收集、信息傳輸和網(wǎng)絡(luò)能效等多個(gè)方面。近年來，盡管相關(guān)研究取得了一定進(jìn)展，但如何設(shè)計(jì)高效、低耗且適應(yīng)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的資源分配策略仍是一個(gè)亟待解決的問題。本文旨在探討現(xiàn)有資源分配策略的局限性，提出最優(yōu)能效資源分配方案，以期為未來無線供電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

一、無線供電混合多址接入技術(shù)基礎(chǔ)

（一）混合多址接入技術(shù)概念

混合多址接入技術(shù)是一種無線通信技術(shù)。它融合了多種傳統(tǒng)的多址接人技術(shù)，如頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址以及正交頻分多址等。本文旨在提高無線通信系統(tǒng)的頻譜利用率、系統(tǒng)容量及服務(wù)質(zhì)量。在傳統(tǒng)的多址接入技術(shù)中，TDMA通過時(shí)間劃分、FDMA通過頻率劃分來實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶的并發(fā)訪問，而GDMA和OFDMA則分別通過碼字和子載波的正交性來區(qū)分用戶。然而，單一技術(shù)的局限性在于不能同時(shí)滿足所有通信需求，如高數(shù)據(jù)速率、低延遲、高可靠性和廣覆蓋等。因此，混合多址接入技術(shù)可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和用戶需求，靈活選擇或結(jié)合不同的多址方式，以期達(dá)到最優(yōu)的通信性能?；旌隙嘀方尤爰夹g(shù)還與多輸入多輸出、網(wǎng)絡(luò)編碼、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)的整體效率和增強(qiáng)可管理性。

（二）混合多址接入技術(shù)分類

混合多址接入技術(shù)可以分為幾種主要形式，每種都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。一種常見的分類是基于時(shí)間一頻率資源的混合多址接入，它結(jié)合了TDMA和FDMA的特點(diǎn)，允許用戶在不同的時(shí)間和頻率資源塊上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種方式可以較好地適應(yīng)用戶的動(dòng)態(tài)需求，優(yōu)化資源的使用效率。另一種類型是結(jié)合了GDMA和OFDMA的混合多址接入技術(shù)。這種技術(shù)利用CDMA的抗干擾能力和OFDMA的高頻譜效率，適用于需要高系統(tǒng)容量和強(qiáng)抗干擾能力的場(chǎng)景。還有基于空間分割的混合多址接入技術(shù)，如結(jié)合了空分多址技術(shù)的方式，它通過多天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，增強(qiáng)系統(tǒng)的吞吐量。網(wǎng)絡(luò)編碼混合多址接入技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)編碼提高傳輸?shù)男屎涂煽啃??；旌隙嘀方尤爰夹g(shù)類型的選擇取決于多種因素，包括服務(wù)類型、流量需求、用戶體驗(yàn)要求以及經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性等。

二、能效資源分配影響因素

（一）硬件性能限制

功率放大器的效率是決定信號(hào)傳輸能效的關(guān)鍵因素，低效的功率放大器會(huì)消耗更多的能量，降低整體網(wǎng)絡(luò)的能效。硬件的線性動(dòng)態(tài)范圍限制了信號(hào)的最大傳輸功率，影響信號(hào)的覆蓋范圍和質(zhì)量。接收器的靈敏度決定了其對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)能力，靈敏度不夠高的會(huì)導(dǎo)致傳輸過程中需要更高的發(fā)射功率來補(bǔ)償，從而增加能耗。硬件的散熱能力也會(huì)影響其持續(xù)運(yùn)行的效率，過熱可導(dǎo)致設(shè)備自動(dòng)降頻以避免損壞，進(jìn)而影響處理速度和數(shù)據(jù)傳輸效率。

（二）傳輸環(huán)境因素

路徑損耗是其中一個(gè)因素，它隨距離的增加而增大，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度下降，特別是在城市或山區(qū)等環(huán)境中，大型建筑物或地形起伏會(huì)進(jìn)一步加劇損耗。陰影衰落是由于物體阻擋造成的信號(hào)強(qiáng)度隨機(jī)變化，這在城市街道或室內(nèi)環(huán)境中尤為常見。多徑效應(yīng)也是一個(gè)因素，它會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的反射、折射和散射，使得接收端的信號(hào)產(chǎn)生相位疊加，引起信號(hào)質(zhì)量的變化。大氣條件如雨、霧等也會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生影響。這些環(huán)境因素增加了無線傳輸?shù)牟淮_定性，對(duì)資源分配算法提出了更高的要求，需要算法能夠?qū)崟r(shí)適應(yīng)環(huán)境變化，以保證通信的可靠性和能效的優(yōu)化。

（三）系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

小區(qū)的大小和分布直接影響網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效率和用戶的服務(wù)質(zhì)量，過大的小區(qū)導(dǎo)致邊緣用戶的信號(hào)質(zhì)量下降，而過小的小區(qū)則增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和成本。采用的多址接入技術(shù)（如TDMA、FDMA、OFDMA等）決定了資源的分配方式和系統(tǒng)容量。不同的接入技術(shù)具有不同的頻譜利用率和功耗特點(diǎn)。在調(diào)制與編碼方案的選擇上，更高效的調(diào)制編碼技術(shù)能夠在相同的頻譜資源上提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但可能會(huì)增加誤差控制的難度和復(fù)雜性。

（四）用戶行為與業(yè)務(wù)需求

不同用戶和業(yè)務(wù)類型對(duì)數(shù)據(jù)速率、延遲和可靠性的要求各不相同，這決定了資源分配策略必須具有高度的靈活性和適應(yīng)性。例如，視頻流和在線游戲需要較高的數(shù)據(jù)速率和低延遲，而文件傳輸更側(cè)重于數(shù)據(jù)的完整性。用戶的移動(dòng)性也會(huì)影響資源分配，高速移動(dòng)的用戶經(jīng)歷快速變化的信道條件，要求資源分配算法能夠迅速適應(yīng)這些變化。用戶密度的時(shí)空分布不均也會(huì)導(dǎo)致某些區(qū)域的資源緊張，而其他區(qū)域資源過剩的情況。

三、無線供電混合多址接入網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)能效資源分配策略

（一）時(shí)間一能量一功率分配優(yōu)化

時(shí)間一能量一功率資源分配優(yōu)化的目標(biāo)是在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的能耗最小化，則需要綜合考慮時(shí)間的利用效率。能量的有效傳輸以及功率的控制策略。一個(gè)有效的資源分配算法不僅需要在不同用戶和設(shè)備之間合理地分配功率，還需要根據(jù)信道條件和流量需求動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間分配和能量供應(yīng)。例如，通過使用凸優(yōu)化技術(shù)，可以設(shè)計(jì)出一個(gè)以能效最大化為目標(biāo)的算法。該算法綜合考量信道狀態(tài)、用戶QoS需求和能量到達(dá)率，智能調(diào)節(jié)時(shí)間槽和功率等級(jí)，以實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)分配。利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，如深度Q網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)不同狀態(tài)下的資源分配策略進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而使網(wǎng)絡(luò)能夠針對(duì)復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境做出快速而準(zhǔn)確的調(diào)整。這樣不僅能提高網(wǎng)絡(luò)的能效，還能增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)能力和穩(wěn)定性，為用戶提供持續(xù)可靠的服務(wù)。

（二）資源塊與信道分配策略

資源塊的分配需要考慮用戶的具體需求和信道條件，以實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)化利用。在這一過程中，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的信道狀態(tài)進(jìn)行估算，可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道的衰減和干擾情況來實(shí)現(xiàn)。隨后，利用這些信息，結(jié)合預(yù)測(cè)算法，如支持向量機(jī)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)短期內(nèi)的信道質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)資源塊的動(dòng)態(tài)分配。例如，對(duì)于衰減較大的信道，可以分配更多的資源塊以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕欢鴮?duì)于狀態(tài)良好的信道，則可以適當(dāng)減少資源塊的使用，以提高整體網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。采用圖論中的著色理論可以實(shí)現(xiàn)多用戶環(huán)境下的資源塊分配，有效避免用戶間的相互干擾，提升單個(gè)用戶的體驗(yàn)，也能在全局上優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源配置，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能和能效。

（三）用戶集群與合作傳輸

用戶集群與合作傳輸特別適用于用戶數(shù)量多且分布密集的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。通過將用戶分群，并在群內(nèi)實(shí)施合作傳輸，可以利用用戶間的空間多樣性，提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量和速率。具體來說，可以根據(jù)用戶的地理位置和信道條件，采用聚類算法如K-means將用戶分為不同的群組。每個(gè)群組選取一個(gè)信道條件較好的用戶作為頭節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)群內(nèi)的信息傳輸。在群內(nèi)，可以應(yīng)用空分多址技術(shù)，允許多個(gè)用戶在同一時(shí)間和頻率上通過不同的空間層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高頻譜利用率。同時(shí)，利用合作通信的原理，群內(nèi)用戶可以相互轉(zhuǎn)發(fā)接收到的信號(hào)，以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度和覆蓋范圍，改善邊緣用戶的服務(wù)體驗(yàn)。通過網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，進(jìn)一步提高群內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?。通過這樣的集群與合作傳輸策略，可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐率和能效，還可以在一定程度上平衡用戶間的服務(wù)差異，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

（四）動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制

動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制核心目的是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和最優(yōu)配置。在這種機(jī)制下，網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)通信需求、用戶行為和環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整資源分配，以確保網(wǎng)絡(luò)性能最大化和能耗最小化。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，包括信道質(zhì)量估計(jì)、用戶需求預(yù)測(cè)、資源調(diào)度算法的設(shè)計(jì)等。信道質(zhì)量估計(jì)是動(dòng)態(tài)資源分配的基礎(chǔ)，決定了能否為每個(gè)用戶分配最合適的頻譜資源。網(wǎng)絡(luò)需要通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度、信噪比等信息來評(píng)估信道條件，并利用這些信息進(jìn)行資源分配。用戶需求預(yù)測(cè)對(duì)于資源分配同樣重要。網(wǎng)絡(luò)需分析用戶的歷史數(shù)據(jù)以及當(dāng)前狀態(tài)，預(yù)測(cè)其未來的通信需求，從而提前調(diào)整資源分配以適應(yīng)需求的變化。設(shè)計(jì)高效、低復(fù)雜度的資源調(diào)度算法是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源分配的關(guān)鍵，要求算法能夠快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，同時(shí)保證分配結(jié)果的公平性和效率性，以提高資源利用率，優(yōu)化用戶體驗(yàn)，降低能耗。

（五）能效優(yōu)先的調(diào)度策略

能效優(yōu)先調(diào)度致力于在保障通信性能的基礎(chǔ)上，盡可能減少網(wǎng)絡(luò)的能耗。首先是功率控制，通過調(diào)整發(fā)送功率來減少能量消耗。這要求精確測(cè)量用戶的信道質(zhì)量和傳輸需求，從而確定滿足通信質(zhì)量要求的最低功率水平。接下來是合理地調(diào)度決策，確定何時(shí)以及在何種條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是關(guān)鍵。例如，可以利用李雅普諾夫優(yōu)化等工具，平衡數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的狀態(tài)和通信能耗，避免不必要的傳輸，從而節(jié)省能源。此外，采用先進(jìn)的通信技術(shù)如MISO（多輸入單輸出）和大規(guī)模MIMO能提高能效，通過空間分集和多天線技術(shù)提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量，從而在較低的能耗下提供相同的服務(wù)質(zhì)量。最后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和基站的睡眠模式管理也是提高能效的手段。通過在流量較低的時(shí)候切換部分基站或設(shè)備至睡眠模式，減少網(wǎng)絡(luò)的基線能耗。

四、無線供電混合多址接入網(wǎng)絡(luò)能效資源的未來發(fā)展趨勢(shì)

（一）攜能通信技術(shù)應(yīng)用

攜能通信技術(shù)是一種新興的通信方式。通過無線電波同時(shí)傳輸能量和數(shù)據(jù)這一技術(shù)的應(yīng)用，可以提高系統(tǒng)的整體能效和實(shí)用性。它允許遠(yuǎn)程設(shè)備在沒有物理連接的情況下獲取能量和信息，這在難以布線或更換電池的環(huán)境中尤其有價(jià)值。攜能通信技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的資源分配和管理，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)控制器可以調(diào)節(jié)能量和信息的流向，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和用戶需求動(dòng)態(tài)優(yōu)化資源分配。此外，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展可能帶動(dòng)新型電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的創(chuàng)新，因?yàn)檫@些設(shè)備將不再受限于電池壽命或可用的能源。隨著研究的深入和技術(shù)的成熟，攜能通信技術(shù)將在未來的智能城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

（二）智能化和自動(dòng)化的資源管理系統(tǒng)

為了應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理需求，智能化和自動(dòng)化的資源管理系統(tǒng)成為未來無線供電混合多址接入網(wǎng)絡(luò)的核心。基于人工智能的算法能夠?qū)崟r(shí)分析用戶行為模式、網(wǎng)絡(luò)流量和能量使用情況，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整資源分配，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能和能效。例如，通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化，系統(tǒng)可以預(yù)先調(diào)整資源分配，避免過載和能量浪費(fèi)。智能化系統(tǒng)還可以自動(dòng)檢測(cè)故障和安全隱患，及時(shí)進(jìn)行修復(fù)和防護(hù)，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。自動(dòng)化管理減少了人工干預(yù)，降低了運(yùn)維成本，提高了網(wǎng)絡(luò)管理的效率和準(zhǔn)確性。隨著計(jì)算能力的提高和算法的優(yōu)化，未來無線供電混合多址接入網(wǎng)絡(luò)將更加智能。

（三）綠色通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展

綠色通信網(wǎng)絡(luò)致力于減少能源消耗和碳排放，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的通信服務(wù)。在無線供電混合多址接入網(wǎng)絡(luò)中，綠色通信的實(shí)現(xiàn)途徑包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、可再生能源的采用和設(shè)備效率的提高等。通過部署高效的能源管理系統(tǒng)，如太陽能和風(fēng)能收集器，網(wǎng)絡(luò)可以減少對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴。同樣，采用節(jié)能的硬件設(shè)備和技術(shù)（如節(jié)能的放大器和處理器）可以進(jìn)一步降低能耗。綠色通信網(wǎng)絡(luò)還涉及廢舊設(shè)備的回收和再利用，減少電子垃圾的產(chǎn)生。隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，綠色通信網(wǎng)絡(luò)將成為未來網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重要方向，不僅有助于保護(hù)環(huán)境，還符合企業(yè)應(yīng)履行的社會(huì)責(zé)任和達(dá)成可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

結(jié)語

無線供電混合多址接入網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)能效資源分配是一個(gè)多維度、多層次的問題，需要采取多角度、系統(tǒng)性的方法來實(shí)現(xiàn)綠色通信的目標(biāo)。未來的研究需要進(jìn)一步探索人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)在資源分配中的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)更加高效和自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)管理。