随着移动用户及高速网络应用的爆炸性增长,信息通信技术产业的能耗以及伴随的碳排放量迅速增长。在能效和环保的驱动下,能量捕获(EH,energy harvesting)技术从周围环境中收集清洁能源,将分布式可再生能源引入无线通信网络中,为绿色通信开辟了新的方向,因此受到了通信界的广泛关注。但由于EH受到各种因素的影响,从自然环境中捕获的能量具有间歇性和随机性,EH无线网络中如何高效地利用捕获的能量进行数据传输是具有实际意义的热点问题。本论文运用随机优化理论,对具有EH功能的无线通信系统进行数学建模和理论分析,研究了不同场景下的无线通信网络的传输调度和能量管理优化算法,以最大化系统的性能和捕获能量的效率,从而减小网络从传统电网的能耗。具体工作内容如下:1.首先,总结并深入研究EH无线通信系统在特定场景下的最优传输算法,为衡量一般场景下的算法性能提供一个基准。分别考虑了EH无线通信系统在事件(能量到达、信道衰落)的离线信息已知和统计信息已知的两种特定场景,并给出了相应的最优离线和在线最优传输算法。在离线场景下,基于EH的因果关系及电池容量的约束,利用集合图形法、凸优化及定向注水方法设计最优传输离线算法,目的是最大化某个时间期限内系统的吞吐量。从理论上分析了电池容量有限和无限的情况对静态信道和衰落信道下算法的影响,并证明了最小化传输时间的最优算法与最大化系统吞吐量的最优算法是等效的。接着研究了统计特性已知场景下的最优传输问题,基于马尔科夫模型,用随机动态规划求解得到最优在线策略,由于最优在线算法固有的复杂度,本文介绍了一些其他的次优策略。最后,在不同的配置下数值仿真对离线和在线最优、次优算法的性能做了对比。2.研究了一般场景下单独使用EH源的无线通信系统最优传输功率算法。EH过程受到很多因素的影响,同信道衰落一样,都具有时变性和间歇性,实际中很难获得它们的概率分布信息。一般场景下能量到达和信道状态均为一般随机过程,概率分布未知,该场景下的研究更具有实际意义。考虑到能量存储效率及电池漏电的情况,将一般场景下EH无线系统吞吐量最大化问题规划成随机优化问题,基于Lyapunov理论提出了一种复杂度低、易于实现的动态传输调度算法,理论证明所提出的算法可使优化目标无限趋于最优,数值仿真进一步验证了所提算法的有效性。仿真结果表明本文所提算法性能与利用已知统计特性获取的最优算法性能一致,而本文提出算法不依赖EH和信道状态的统计特性,具有普适性。3.研究了由EH源和电网混合供电无线通信系统在一般场景下的传输调度及功率分配优化算法。对于大功率无线通信节点,如基站,为保证通信的服务质量,传统电网作为补充的混合供电方式起到了重要作用。考虑在能量到达、数据到达、无线传输信道均为一般随机过程的一般场景下,首先构建单用户混合供电无线系统的数学模型,将用户可容忍的时延约束转化为虚队列的稳定约束,基于Lyapunov优化提出了单用户动态功率控制方案和供电源调度优化算法。在此场景和约束下扩展到多用户,将多用户间的传输调度和功率分配问题转化成功率矢量决策问题,提出了满足每个用户时延要求的动态功率分配方案和调度优化算法,包括多用户之间的传输调度和供电源的调度。对提出的算法性能进行了理论分析,分析结果证明提出的算法在满足每个用户时延约束的条件下可使系统从电网的能耗最小。最后通过与其他算法仿真对比,进一步验证了所提算法的有效性。4.研究了蜂窝网络中混合供电基站的有线能量协作方案。对蜂窝网络中具有能量捕获功能的基站,基于基站间相连的电力线共享各自捕获的能量,提出了基站能量协作数学模型。考虑到能量转移损耗以及每个电池容量受限的情况,运用线性规划、贪婪算法和Lyapunov优化,基于各基站能量捕获和消耗特性,分别提出了离线场景、一般场景和能耗允许时延三种情况下的能量协作算法,目的是最小化基站从电网消耗的能量。数值仿真验证了提出的算法的有效性,并分析了能量转移损耗、电池容量大小对能量协作下基站性能收益的影响,为蜂窝网络中混合供电基站在不同场景下提供了有效的能量协作算法。