基于时延QoS要求的多载波中继能量收集系统的资源分配
发布时间：2020-05-30 16:54
【摘要】：采用正交频分复用的多载波中继(Multicarrier Relay,MR)协作技术,可以提高通信系统的频谱利用率、扩大通信范围及减少长距离通信过程中出现的信号衰减等问题。同时,在时延敏感的无线通信环境下,时延服务质量(Quality-of-Service,QoS)是衡量无线通信系统性能的一个重要指标。另一方面,能量收集无线通信系统可以降低对外界供电设备的依赖,依靠自身收集能量进行通信,实现通信的可持续性和稳定性。因此,在具有能量收集节点的多载波中继(Energy Harvesting MR,EHMR)通信系统中,考虑时延QoS要求,如何合理分配系统频谱、功率等资源,提高整个系统的通信性能,是资源分配研究的核心。论文针对基于时延QoS的EHMR通信系统,分别在确定信道和不确定信道信息场景下,采用凸优化方法和鲁棒性优化方法,对通信系统的子载波和功率分配进行研究,规划问题、求解,并进行仿真验证和分析。论文的研究工作包括:(l)简述了基于时延QoS要求的EHMR系统研究的相关背景,如多载波中继通信技术的发展和研究、能量收集通信系统的研究概况、满足时延QoS要求的通信系统的资源分配研究以及非确定信道下的鲁棒性资源分配研究等。进一步,论文介绍了相关数学理论基础,如凸优化理论、Taylor近似法、鲁棒性优化方法等。(2)在信道状态信息确定的情形下,研究EHMR系统的资源分配问题。以实现通信系统的有效容量最大化为目标,满足系统时延服务质量QoS的要求,建立系统模型并规划优化问题。同时,利用Taylor近似和凸优化理论对对优化问题求解,并采用子梯度迭代法进行数值求解,得到系统的最优资源分配方案。为降低计算复杂度,论文提出一种次优化的资源分配方案,根据信道状态信息对子载波进行分配,确定子载波分配方案后,重新规划问题,求解得到信号发送功率的分配方案。在以上基础上,利用蒙特卡罗仿真方法对提出的最优资源分配方案和次优资源分配方案进行验证和分析。通过几种资源分配方案的对比结果表明,在相同条件下,采用提出的最优资源分配方案,在保证时延QoS条件下,可以获得最大的有效容量,通信性能最优。(3)考虑在非确定信道状态信息的情形下,研究EHMR系统在满足时延QoS要求的鲁棒性资源分配方案。采用Worstcase方法,将非确定信道下的信道功率增益值表示为估计值和误差值两部分之和,且利用一般范数模型可以将误差值表示成一个不确定集并且为该不确定区域设置一个上界。在满足能量约束和时延要求的条件下,规划鲁棒性优化问题,然后利用拉格朗日对偶方法对该问题进行求解,获得鲁棒性资源分配问题的最优解。该最优解中信道功率增益值含有不确定的参数:不确区域的上界和在该不确定区域中功率增益取各种值的取值概率。在以上基础上,论文进行仿真分析,研究了信道功率增益值、不确定区域上界和取值概率之间的关系,进一步,分析了鲁棒性资源分配方案中时延QoS参数、各时隙收集的能量、不确定区域上界和取值概率等参数对通信系统有效容量的影响。结果表明,在非确定信道状态信息下,提出的鲁棒性资源分配方案能够实现有效容量和系统稳健性的折衷。
【图文】：
１．１所示，按照其功能不同，中继可以分为以下模式：逡逑１）放大－转发（Ａｍｐｌｉｆｙ－ａｎｄ－Ｆｏｒｗａｒｄ，ＡＦ）模式逡逑如图１．１邋（ａ）工作在ＡＦ模式的中继对信号采用模拟处理，即中继对从基站或逡逑者用户那里接收到的信号不进行解调或解码，而是放大该信号并发送给接收端。逡逑处于ＡＦ模式下的中继，其工作机制简单且时延也较短，缺点是中继会同时对信号逡逑中的噪声及干扰进行放大，所以对于一些对噪声敏感的通信系统来说，该模式下逡逑的中继有一定局限性。逡逑ｉ——Ｌ、…逡逑基站逦中继逦、p哄义洗湫藕佩谓邮諡敌牛掊斡没у义蠑5大逡逑（ａ）逦ＡＦ中继逡逑逦４、逡逑基站逦中继逦、翁逡逑用户逡逑（＞＾邋解调／解码逦调制／编码逦功率放大逡逑（ｂ）逦ＤＦ中继逡逑图１．１中继不同的工作模式及工作原理逡逑２）解码－转发（Ｄｅｃｏｄｅ－ａｎｄ－Ｆｏｒｗａｒｄ，ＤＦ）模式逡逑解码转发也称为前向译码，利用中继对接收到的信号先
ＥＨＭＲ系统的资源分配问题，，通过对系统中子载波、功率资源的分配，在满足时逡逑延约束的条件下，以系统的效容量最大化为目标，依次展开研宄。论文的结构框逡逑架如图１．３所示。逡逑＿逦／逦７逦／逦７逡逑时逦／确定信道状况下系统资源分配逦／逦／逦／逡逑ｆ逦／逦／逦／逦／逡逑｜逦／逦？基于时延ＱｏＳ的最优化资源分配／逦非确定信道状况下系统资源分配逡逑多逦／逦方案逦／逦／逡逑１逦Ｉ逦：0最优功率分配方案逦；逦；？基于时延邮的最优化资源分配方，逡逑｜逦＿逦２）最优子载波分配方案逦Ｋ逦、逡逑能：一＾＇邋＼逦？基于时延ＱｏＳ的次优资源分配方Ｉ—￣：邋＼逦？邋Ｗｏｒｓｔｃａｓｅ＾ｉｉ逡逑｜邋＇￣＼／逦＾逦￣［／逦１）信道增益的公式推导逡逑
本文编号：2688429
【图文】：
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ＥＨＭＲ系统的资源分配问题，，通过对系统中子载波、功率资源的分配，在满足时逡逑延约束的条件下，以系统的效容量最大化为目标，依次展开研宄。论文的结构框逡逑架如图１．３所示。逡逑＿逦／逦７逦／逦７逡逑时逦／确定信道状况下系统资源分配逦／逦／逦／逡逑ｆ逦／逦／逦／逦／逡逑｜逦／逦？基于时延ＱｏＳ的最优化资源分配／逦非确定信道状况下系统资源分配逡逑多逦／逦方案逦／逦／逡逑１逦Ｉ逦：0最优功率分配方案逦；逦；？基于时延邮的最优化资源分配方，逡逑｜逦＿逦２）最优子载波分配方案逦Ｋ逦、逡逑能：一＾＇邋＼逦？基于时延ＱｏＳ的次优资源分配方Ｉ—￣：邋＼逦？邋Ｗｏｒｓｔｃａｓｅ＾ｉｉ逡逑｜邋＇￣＼／逦＾逦￣［／逦１）信道增益的公式推导逡逑
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