基于携能和边缘缓存的无线通信系统传输技术研究

发布时间：2020-04-18 08:09

【摘要】：随着智慧城市、增强现实等新兴业务和应用的不断涌现,物联网和移动互联网将成为5G发展的两大主要驱动力。为解决物联网的能量短缺问题,无线射频能量传输可以为能量受限的物联网节点进行供电。由于无线电磁波可以同时承载电磁能和信息,无线射频信号还可以进一步实现能量与信息的同时传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)。如何设计合理的传输策略达到SWIPT网络中速率与能量的折中是一个亟待解决的问题。此外,为应对移动互联网的数据流量激增问题,无线边缘缓存技术可以在业务低峰期提前将热门文件存储在基站(Base Station,BS)或用户终端,这样在业务高峰期,用户请求的文件可以直接从邻近用户或基站处获取,从而有效缓解回程链路的负载,降低用户获取文件的时延,提升用户体验(Quality of Experience,QoE)。如何充分利用有限的存储空间设计高效的缓存策略和相应的文件传输策略是无线边缘网络的关键问题。因此,本文主要研究了面向5G通信的SWIPT网络的传输策略设计以及无线边缘缓存网络的缓存放置和文件传输策略问题。具体研究内容和主要贡献如下:1、基于发送端能量传输的携能网络中传输策略优化针对SWIPT网络中无线能量的传输引起的无线通信速率下降问题,本文研究了基于谱效提升技术全双工(Full Duplex,FD)和协作非正交(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)的发端SWIPT网络的传输策略优化问题。首先,在FD-SWIPT场景中,得益于FD技术的同收同发,FD-BS发送的人工噪声(Artificial Noise,AN)可以同时阻止空闲用户窃听上下行链路的信息。本文以最大化上下行安全速率加权和为目标,在保障空闲用户最小能量采集量前提下,设计了FD-BS的收发端策略。其次,在协作NOMA-SWIPT场景中,SWIPT技术的引入可以激励能量受限的强用户中继弱用户的信号以满足弱用户的最小速率需求。在保障弱用户最小速率约束下,通过联合设计发送端的预编码、强用户的接收向量以及功率分配因子来最大化强用户的速率。2、基于目的端能量传输的携能网络中传输策略优化针对协作网络中发送端对中继节点能量供给不足的问题,本文提出了基于目的端辅助的能量传输方案,并优化了网络中的传输策略。首先,在3节点协作网络中,目的节点向中继节点发送无线能量来增强中继节点的能量采集。通过优化发端预编码、中继处理矩阵以及接收向量,在保障源节点最小速率需求下最大化中继节点的速率。其次,在4诗点认知协作网络中,认知接收端和主用户接收端向认知中继用户传输无线电磁能。在保障主用户最小速率需求下,通过优化认知中继用户的中继处理矩阵,认知预编码和功率分流因子来最大化认知用户的速率。当信道状态信息(Channel State Information,CSI)完美已知时,设计了最优预编码方案以及低复杂度的次优预编码方案。当CSI非完美时,设计了鲁棒性预编码方案。3、基站缓存网络中基于QoE驱动的缓存与传输策略优化针对面向视频业务的无线边缘缓存网络以服务质量(Quality of Service,QoS)为评价指标的问题和缓存策略更新频率远远慢于文件传输策略的事实,本文以最大化所有用户QoE加权和为目标,将基站的缓存放置策略和文件传输策略建模为一个混合时间跨度问题进行联合优化。为求解该混合时间跨度问题,本文将其解耦为两个子问题:长期缓存策略优化问题和短期传输策略优化问题。对于缓存策略优化问题,根据文件流行度和信道统计信息,分别设计了集中式和分布式缓存策略。对于传输策略优化问题,在给定缓存策略的基础上,通过联合优化多个基站的多播预编码来最大化用户的QoE加权和。4、D2D缓存网络中基于用户移动性感知的缓存策略优化针对相关工作忽略了 D2D缓存网络中特有的用户终端缓存空间租赁成本和重要性能指标文件获取时延的问题,本文以最小化平均传输成本和平均缓存租赁成本为目标,在文件平均时延约束下,设计了 D2D网络中基于用户移动性感知的缓存策略。首先,基于间隔接触的用户移动性模型,推导了平均传输成本、平均缓存租赁成本和文件平均时延,并建立了相应的缓存策略优化问题。而后,分别研究了文件在一次用户接触内可以全部传完的特殊情形和文件需要多次用户接触才能传完的一般情形下的缓存策略。对于特殊情形,提出了基于凸优化理论的缓存放置策略。对于一般情形,提出了基于动态规划的缓存放置策略和基于改进贪婪算法的低复杂度缓存放置策略。
【图文】：

架构图,架构,接收机,功率比

统性能的一个理论分析上界。新加坡国立大学的Ｒｕｉ邋Ｚｈａｎｇ教授等人在文献［５］中提逡逑出了两种实际可行的ＳＷＩＰＴ接收架构：基于时隙切换（Ｔｉｍｅ邋Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，邋ＴＳ）的接逡逑收架构和基于功率分流（Ｐｏｗｅｒ邋Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ，ＰＳ）的接收架构，如图１－１所示。逡逑ＪＹ逦，逦邋Ｅｎｅｒｇｙ逡逑ｉ逦ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ逡逑＊—＾邋逦逡逑逦邋＼邋ａｊ逦Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ逡逑Ｎｏｉｓｅ逦ｄｅｃｏｄｉｎｇ逡逑ａ．邋ＴＳ接收机架构逡逑Ｙ逦Ｔ逦，，逦邋Ｅｎｅｒｇｙ￣逡逑Ｉ逦ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ逡逑Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ邋—逦＇—（》■＿〈逦逦逡逑逦Ｉ逦／ｔｎ逦Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ逡逑Ｎｏｉｓｅ逦￣＾逦ｄｅｃｏｄｉｎｇ逡逑Ｐｒｏｃｅｓｓｎｇ邋ｎｏｉｓｅ逡逑ｂ．邋ＰＳ接收机架构逡逑图１－１：邋ＳＷＩＰＴ接收机架构逡逑？基于ＴＳ的接收架构是指接收端的ＥＨ模式和ＩＤ模式在不同时隙间交替切换。逡逑在一个时间周期Ｔ内，接收端的信号在ａＴ时间内进行ＩＤ，在剩余（ｌ－ａ）Ｔ逡逑时间内进行ＥＨ。逡逑？基于ＰＳ的接收架构是指接收端将收到的信号按功率比例因子ｐ分成两个流，，逡逑其中，功率比例为ｐ的信息流用于ＩＤ，功率比例为１邋－邋ｐ的信息流用于ＥＨ。逡逑－３－逡逑

基于携能和边缘缓存的无线通信系统传输技术研究

图１－２：邋ＳＷＩＰＴ继接收协议逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

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