蜂窝网中基于数能同传技术的资源分配

发布时间：2019-11-09 03:07

【摘要】：随着无线通信技术的飞速发展,人与人之间的通信变得更加的普遍,无线通信的网络架构变得越来越复杂,可接入终端也变得越来越多。但是,这也带来了一系列新的问题。由于终端数量急剧增多,网络中的终端对能量的需求量也越来越大。同时,多种类型的业务对数据与能量的需求不同,势必也将会对新一代网络的发展带来许多困难。因此,为了解决无线通信中的能量需求与数能均衡等问题,数能一体化网络(Data and Energy Integrated Communication Networks,DEINs)应运而生。在数能一体化网络中,利用能量采集技术以及无线射频能量传输技术,通过设计合理的数能联合优化资源分配算法以及相应的数能传输协议等,网络的通信性能可以得到极大的提高,因此也极大程度的缓解了新一代网络所带来的诸多能量问题。目前最常见的无线通信网络非蜂窝网络莫属,因此,为了解决新一代无线通信网络所带来的问题,就首先需要将蜂窝网络与数能一体化网络相融合,生成新的数能一体化蜂窝网络。由于接收端对无线射频信号进行能量采集,必须开启相应的能量采集电路,其中也需要一定的电路门限功率,因此,在原有研究基础上引入电路门限因素,将使得研究场景更加实际。本文通过在引入电路门限功率的基础下,对蜂窝网中基于数能同传技术的资源分配进行研究。文章首先通过将传统蜂窝网络进行场景划分,分割为单蜂窝通信场景与多蜂窝通信场景,然后通过对不同场景的蜂窝网络引入无线数能同传技术进行优化。针对单小区场景,通过动态调整下行传能与上行传数的时间比例,并联合设计波束成形,实现了数能一体化系统中资源的公平分配算法。然后在此基础上,进一步考虑终端数据队列因素,设计了一种基于数据队列长度的公平性资源分配算法。针对多小区场景,本文以室内室外联合场景为例,设计了一种数能干扰协调方法,通过多维资源联合分配,实现了在满足终端能量需求的同时,提升了系统的吞吐率。最后,通过仿真的性能分析,本文发现经过合理的资源分配后,系统的通信性能(吞吐量,收集的能量等)均得到了一定的提高,同时优于其他模型。
【图文】：

原理图,功率,原理,能量

图 2-1 功率注水原理，针对能量采集无线网络的资源分配的优化方式，可以将其分为化（Offline Optimization）和在线优化（Online Optimization）。没有电池容量的约束条件，可以使用阶梯函数表达最优能量的此为基础提出了阶梯注水法。类似的，为了解决由于能量因果束而产生的吞吐量最大化问题，文献[19]和文献[20] 另外提出了即能量可行通道（Energy Feasibility Tunnel）方法。文献[19]在条件下，给出了一种最优的分组调度策略；而在文献[20]中，作短期吞吐量为目标，同时考虑能量因果约束和电池容量约束，化策略。图 2-1 中分别为有电池最大容量和无电池最大容量两种注水原理。其中，图 2-1(a)(b)中的上半部分分别代表能量到达过达量为iE ，随着每次能量的到达，电池中的能量也呈阶梯状的(b)中的下半部分。图 2-1(a)代表电池最大容量为无穷，因此再进只需要考虑能量自身量的限制，红色线条即为最优的功率分配电池最大容量为maxE ，再进行功率分配的时候不单单需要考虑能

传输模型,远端,无线输能

图 2-2 远端无线能量传输模型然而到目前为止，无线能量传输技术也是刚刚起步，还有许多亟待解决的关键问题。例如在高效率、高功率、高精度、长寿命、大尺寸和传输安全性等方面，其中的一些具体损耗也在图 2-2 中得以标注体现。特别地，如果一个系统想要以微波能量为传输介质、以高效率为核心要求，必定会涉及到高效率的微波功率器件、低损耗的微波馈电网络、高效率高功率的微波发射天线、高精度的波束指向控制、低反射高效率的微波接收、整流、收集电路等关键技术。针对上述关键问题和挑战，国内外诸多研究者已经开展了许多相关的研究工作。美国最早在上世纪 60 年代就提出了无线能量传输技术，并且于 1975 年完成了第一套大功率的微波输能实验系统，具体的 RF-DC 的传输效率为6.6%@1.54km[26]；同时，在 2008 年美国还实现了 148km 的微波无线输能实验[27]，但是传输效率非常低。欧洲最早在 2001 年实现了 10kW 的点对点无线电力传输，传输距离可以达到 700m。日本亦在空间太阳能无线输能技术以及地对地无线输能技术研究上取得了一系列重要进展，，成功实现了千瓦级传输效率为 15%@42m 的无线输能[28]。除此之外，国内在无线能量传输技术上也开展了许多相关工作，包
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.5

【参考文献】