无线网络中能量利用和传输效率研究

发布时间：2020-03-21 19:07

【摘要】：信息通信技术领域的快速发展使得智能终端得到了快速普及,这也带来了移动数据业务的爆炸式增长,移动网络中设备能量消耗的增加已经成为可持续发展战略的重要限制因素。第五代移动通信提出了相应的标准和技术来提升能量的利用率和传输效率。在能量利用方面,捕获周围环境中的能量可以实现用户终端的能量存储。然而,怎样合理的设计网络中的参数来实现用户终端的数据传输、尽可能多的能量存储是一个需要解决的问题。在能量传输效率方面,其一,基站没有用户关联时保持开启状态会带来能耗和网络中干扰的增加,基站资源调度不合理会带来用户之间公平性的问题。因此基站和用户之间的关联以及基站资源的调度对网络能源效率带来怎样的影响是一个值得研究的问题。其二,密集小区的部署带来了小区之间的严重干扰,因此密集小区中怎样协调小基站为用户服务和怎样分配小基站的传输功率来降低干扰并提升网络能源效率是一个需要解决的问题;其三,中继能量受限的物联网场景中,怎样利用中继节点协助源节点完成信息的传输是一个备受关注的问题。鉴于以上原因,本文致力于研究无线网络中能量利用和传输效率问题。本文主要的创新点概括如下:1.针对用户终端能量受限的密集小区场景,提出了有流行度缓存方案的无线射频能量捕获方法,适用于连接充电器不方便的手机等用户终端。该方法以同时进行无线信息和能量传输(SWIPT,simultaneous wireless information and power transfer)的系统为基础,通过小基站的缓存策略降低了用户终端获取内容的延时,提升了用户终端捕获的能量并且降低了核心网到小基站回程链路的资源和能量消耗。首先,在系统建模过程中给出了相应的网络模型,内容请求和流行度缓存方案。其次,设计了基于流行度缓存的用户关联方案、资源分配策略,进一步建立了有流行度缓存方案的SWIPT系统能量捕获最大化问题,这里考虑了小基站的传输功率限制、用户的最小速率(服务质量)需求和SWIPT系统的功率分离比。最后,采用迭代功率分离比和功率分配优化(IPSPA,iterative power splitting ratio and power allocation optimization)算法来求解构建的问题。此外,在仿真中通过将提出的流行度缓存方案与均匀缓存方案和没有缓存的方案进行对比,验证了所提方法可以使得用户终端捕获更多的能量、节约更多的核心网到小基站回程链路的资源和能量消耗。而且,讨论了此方法可以延伸到小基站协作为用户服务以及混合能量供给问题的研究。2.针对单个宏基站和多个小基站组成的两层异构蜂窝网络场景,联合的用户关联和资源调度是一个非确定性多项式(NP,non-deterministic polynomial)难问题,本文提出了有小基站休眠模式的连续用户关联和资源调度算法,来分析两层异构蜂窝网络的能源效率。首先,根据三种用户关联算法确定宏基站和小基站与用户之间的关联关系,在此过程中没有用户关联的小基站将进入休眠模式来节约能量和降低网络中的干扰。其次,根据三种用户调度算法确定了宏基站和小基站的资源调度情况,在资源调度过程中对用户之间的公平性进行了讨论。最后,在仿真部分,给出了不同网络环境下合理算法选择的分析和讨论。此外,讨论了此问题可以拓展到多个宏基站和多个小基站的场景。3.针对密集小区及中继能量受限的物联网(IoT,Internet of things)场景,传统的方法没有考虑小基站之间的动态协作和有线性网络编码方案的全双工中继协作传输的问题。一方面,提出了动态协作多点联合传输(CoMP-JT,coordinated multi-point joint transmission)方法来提升密集小区的网络能源效率。其中,首先构建了联合用户关联和功率分配的能源效率最大化问题。其次,采用动态CoMP-JT用户关联算法和动态CoMP-JT功率分配优化算法求解建立的问题。仿真结果表明,与次近的协作多点(CoMP,coordinated multi-point)传输、没有CoMP传输和随机的CoMP传输方法相比,动态CoMP-JT方法能较好的提升网络的能源效率。另一方面,提出了全双工中继协作传输方法来提升中继能量受限IoT的频谱效率。其中,首先建立了基于功率分离的全双工解码转发中继SWIPT系统模型和频谱效率最大化问题。接着,提出了在目的节点处应用线性网络编码和最大比合并解码方案来解码目的节点接收的信息。最后,采用迭代功率分离比算法求解建立的问题。仿真结果表明,与有直连链路存在的半双工解码转发中继和不考虑直连链路的全双工解码转发中继方法相比,提出的全双工中继协作传输方法,可以较好的提升系统的频谱效率。此外,讨论了此研究内容可以进一步拓展到多天线、新型多址接入技术、多中继以及大规模IoT等问题的研究。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

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