无线能量传输系统收发机联合优化关键技术研究

发布时间：2020-06-06 05:36

【摘要】：随着5G移动通信关键性标准技术的高速发展,能量消耗问题在迅速发展的无线通信技术中成为了一个亟待解决的关键问题。无线能量传输作为一种为无线网络提供方便、永久性能源的新的解决方案,被认为是一项非常有前景的可以实现在传统能量受限系统中进行永久能量传输的技术,具有节能环保的重大意义。本论文提出一系列5G环境需求下的无线能量传输系统,结合全双工技术、中继技术以及多输入多输出建模技术,通过凸优化相关理论对收发机进行传统波束赋形以及磁波束赋形设计,从而提高长距离充能和中距离充能系统的能量传输效率并扩展无线通信系统容量。本论文的主要研究内容和创新点如下:一、全双工目标节点携能中继系统提出全双工通信模式和无线携能技术结合的MIMO放大转发中继系统,在目标节点配置了功率分配接收机,在真正意义上实现了信息和能量的同时同频不间断传输。建立完美信道估计信息下的均方误差最小化问题,以对发射节点和中继的发射波束赋形矩阵及接收节点的解码矩阵进行联合优化设计。引入循环迭代思想将原问题解耦合,并通过连续凸近似思想解决子问题,并提出一种新的基于信道并行化和奇异值分解理论的低复杂度算法。通过仿真比较不同算法下的系统最小均方误差和误码率,验证了理论分析的有效性。主要创新点:针对全双工无线携能中继系统的时延问题及自干扰问题,提出解决方法,尽量降低全双工的负面影响;提出基于连续凸近似的优化算法,并针对算法复杂度过高的问题,提出基于信道并行化和特征值分解的算法,从而大大提高了算法性能。二、全双工中继携能系统在考虑存在信道估计误差的情况下提出中继端配置了能量分配接收机的全双工MIMO放大转发中继携能系统,研究了中继携能系统的鲁棒性。以平均均方误差为基础,在保证发射节点和接收节点的发射功率约束和接收能量约束的前提下联合优化发射节点、中继节点以及接收节点的波束赋形矩阵。引用半定松弛的思想,将所建立的NP-hard问题通过可以证明为收敛的交替迭代算法解出。同时,针对源节点的波束赋形也给出了闭式解,以降低计算复杂度。最终讨论了整个系统可以对抗信道不确定性的鲁棒性。主要创新点:提出基于半定松弛的优化算法,并证明了通过所提出的算法总是能得到一个最优的解。提出闭式解算法来降低复杂度,并通过提出和证明有效定理解决了原非凸问题,从而提高系统鲁棒性。三、半双工双向中继携能系统为了进一步提高频谱效率,本文提出半双工工作模式下的双向MIMO放大转发中继无线携能系统,从而有效提高系统的频谱效率和传输范围。针对系统网络提出了在保证发射功率约束和接收能量约束的前提下联合优化目标节点和中继节点的波束赋形矩阵,并提供一个基于广义奇异值分解的交替优化算法来解决这一问题。此外,为了进一步优化系统的性能,我们还提出了基于连续凸近似的迭代细化算法。最终,仿真结果显示所提出的两个算法可以实现令人满意的均方误差性能。主要创新点:通过将信道并行化算法引入复杂的双向中继系统分析,使双向中继和多跳中继带来的高维度矢量问题标量化。与已有信道并行化算法不同,本研究直接把原问题化简为线性凸问题,更加大大降低了算法的复杂度。四、2X2磁共振充电系统提出适用于生物医学领域或可穿戴设备的2X2磁共振充电系统,分析了传输电流相位差、接收线圈电阻以及发射线圈中的电流对功率传输效率的影响,然后通过同时优化发射线圈电流的振幅和接收线圈电阻,使接收线圈的总功率最大化。通过MATLAB和COMSOL从不同方面对电场和磁场进行仿真,数值结果表明所提出的系统和优化算法可以有效提高中距离充电效率。主要创新点:通过同时调整发射线圈电流的振幅和接收线圈电阻,把射频通信中的收发器波束赋形设计优势应用到了磁共振耦合。所提出的算法基于迭代求解一系列几何规划问题,并在不需要对存在多自变量耦合的原问题进行解耦合的情况下得到优化解。
【图文】：

式通信（Ｍａｃｈｉｎｅ邋Ｔｙｐｅ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＭＴＣ），以适应更加灵活的网络化社会逡逑信息［５］。根据预测，到２０２０年，，将有超过５００亿台联网设备，即每人６台以上逡逑的联网设备，其中不止包含人类通信，还包含机器通信。如图１－１所示，５Ｇ除逡逑了支持已建立的杰出移动宽带使用案例的发展外，还将支持大量新兴的使用案例，逡逑这些案例具有多种应用程序及其性能属性的多样性：从延迟敏感视频应用到超低逡逑延迟，从车辆中的氋速娱乐应用到连接对象的按需移动，从尽最大努力的应用到逡逑１逡逑

逦ＳＥＲＶＩＣＥＳ逡逑丨Wｌ邋７邋■逡逑图１－１邋５Ｇ相关用例示例逡逑未来的愿景，是建立一个相互连接的社会，其中，传感器、汽车、无人机、逡逑医疗和可穿戴设备都将通过蜂窝网络彼此连接，与人类终端用户互动，从而提供逡逑一系列的创新服务，例如智能家居、智能城市、智能汽车以及远程手术等。显然，逡逑为了保证可以顺利服务于如此庞大数量的终端，比起现有标准，未来的网络将不逡逑得不大幅增加可提供的容量。为了避免能源短缺，需要新的无线网络设计和运行逡逑方法。集团特别移动协会（Ｇｒｏｕｐ邋Ｓｐｅｃｉａｌ邋Ｍｏｂｉｌｅ邋Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ＧＳＭＡ）及其合作逡逑伙伴承担了塑造５Ｇ网络的最终责任。绿色技术的发展和设各功耗的降低是工业逡逑界和学术界确定的５Ｇ系统的八项主要需求中的两项。ＧＳＭＡ要求到２０２０年，逡逑每个连接的二氧化碳排放量明显减少。这些基本事实导致了引入每焦耳能量效率逡逑的概念
【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;TN859

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本文编号：2699237