基于网络演算的能量收集通信系统性能的研究

发布时间：2020-06-16 23:42

【摘要】：随着通信技术的不断演进,绿色通信和万物互联成为了未来通信网络发展的主要趋势。能量收集通信系统能够通过收集来自于外界环境的多种形式的能量来支持自身的数据传输,具有能量来源丰富、减少对自然界碳排放和增强设备部署灵活性等优点,因此,能量收集通信系统在未来绿色通信和万物互联的实现过程中将发挥重要作用。随机的能量收集过程和有限的能量收集量是能量收集通信系统的基本特点,这些特点决定了这类系统的服务特性与传统系统相比更加复杂多变。所以,“系统能够保证多好的服务质量或获得多大的业务吞吐率”是能量收集通信系统在应用过程中无法回避的问题。随机网络演算作为被学术界广泛认可的性能分析工具,在这个问题的解答上具有很大的潜力。本文以解答这个问题为动机,利用随机网络演算理论对能量收集通信系统的性能展开研究,期望能够为这类系统的参数配置和业务接入控制提供理论支撑。本文的主要研究内容和贡献如下:(1)研究关于并联服务器系统的网络演算理论。基于可再生能量收集的通信系统是能量收集通信系统的一个大类,可应用于太阳能基站、风能基站等大型通信节点。这类系统能够利用多条信道并行传输数据,其服务特性可通过并联服务器模型进行刻画。为了能够研究这类系统的性能,本部分首先将随机网络演算理论推广到并联服务器场景,在不同情况下,分别推导得到了三组用于刻画系统整体服务特性的系统服务曲线,并联合业务的到达特性进一步分析了业务的排队时延分布和平均时延性能,最后通过在M/M/N系统中与基于排队论的分析结果进行对比,验证了分析的准确性。值得一提的是,目前随机网络演算尚无关于并联服务器场景的研究结论,本部分研究通过构建适用于并联服务器系统性能分析的通用研究框架,揭示了服务器数量、业务到达特性等因素对系统性能的影响,完善了随机网络演算的基础理论。(2)研究基于可再生能量收集的通信系统的性能。本部分首先研究了系统能量耗尽概率与电池容量之间的关系。接着,根据典型的业务调度策略,以电池容量为约束条件,研究了指定业务的排队时延分布。进一步在瑞利信道场景下,利用本文关于并联服务器系统的结论分别研究了系统的服务特性以及基于排队时延和电池容量共同约束的指定业务吞吐率,最后通过仿真的方法验证了分析的准确性。研究结果表明,数据包长、能量块尺寸、不同信道服务过程之间的相关性等参数均能对业务的吞吐率性能产生影响。与已有的相关研究主要关注单业务、单信道场景相比,本部分研究重点关注多业务、多信道场景,通过综合考虑多业务到达过程、多信道服务过程、能量消耗过程以及能量收集过程的随机特性以及业务的调度策略,构建了适用于基于可再生能量收集的通信系统性能研究的通用框架,揭示了这类系统的能量收集速率与系统性能之间的关系。(3)研究端到端无线充电通信系统的性能。无线充电通信系统是能量收集通信系统的另一个大类,主要应用场景为传感网和物联网。本部分重点关注端到端场景,根据无线充电通信系统上下行链路在每个周期都存在非数据传输阶段的特点,分析了上下行链路的服务特性。然后,推导得到了两组关于业务时延的上边界分布,其中一组边界准确度高,但需要较高的计算复杂度;另一组边界得到的分析结果简单,但相对保守。进一步,以业务时延为约束条件,研究了业务的吞吐率性能。最后,通过仿真的方法验证了分析的准确性,分析结果表明系统性能与系统传输块长度、系统时间分配策略和用户电池容量均密切相关。与已有的相关研究相比,本部分研究考虑了业务时延对业务吞吐率的影响,提出了一种适用于无线充电通信系统性能研究的分析方法,研究了上下行业务能够同时获得的时延和吞吐率性能,对时延敏感的无线充电通信系统的性能保障提出了新的理论见解。(4)研究多用户无线充电通信系统的性能。本部分将无线充电通信系统由端到端场景扩展到多用户场景,在数据缓存容量有限的条件下,研究了系统中各个节点的缓存队列溢出概率以及基于缓存约束的业务吞吐率性能。此外,为了同时满足业务吞吐率和数据缓存约束的要求,研究了接入点下行发送功率和用户电池容量的配置策略。最后,本文还研究了系统保证每个用户都能同时达到的最大业务吞吐率以及实现这一保证的最优系统时间分配策略。值得一提的是,无线充电通信系统的数据积压性能在学术界尚未得到充分研究,本部分研究弥补了已有研究的不足。此外,与已有的相关研究所提出的资源分配策略相比,本部分提出的资源分配策略考虑了数据缓存约束对业务吞吐率性能的影响,因此更加适用于数据缓存容量有限的无线充电通信系统。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5
【图文】：

通信系统,能量,收集技术

统（Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＥＨＣＳ），如图邋１邋－１邋所示，系统由能量逡逑存储队列（即电池），数据缓存队列，数据发送端和接收端组成。ＥＨＣＳ利用能量逡逑收集技术收集来自外界环境中的能量，这些能量既可以是太阳能、风能等可再生逡逑能源，也可以是射频（Ｒａｄｉ0Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＲＦ）能量、磁能等无线能量，系统将收集到逡逑的能量转化为电能存储在电池当中，便可以用于数据的收发。逡逑利用能量收集技术替代传统电能具有如下３个主要优点：逡逑１）能量来源丰富，可以说是取之不尽用之不竭；逡逑２）保护资源和环境，减少了煤炭燃料等不可再生资源的消耗，减少了对自逡逑然环境的碳排放；逡逑３）部署灵活，对部署在复杂艰辛、不易更换电池环境中的设备使用能量收逡逑集技术，可以延长设备的使用寿命，避免频繁地更换电池，从而降低了逡逑设备的维护成本。逡逑由于能量收集技术在解决挑战１和挑战２中表现出巨大的潜力，近年来逡逑ＥＨＣＳ受到学术界和工业界广泛关注。以能量来源作为分类依据，ＥＨＣＳ可分为逡逑

能量来源,学术界,通信系统,吞吐率

关于ＷＰＣＳ上行链路的研宄主要关注业务吞吐率和资源配置策略，其中最逡逑具代表性的文献为［５７］。文献［５７］在ＷＰＣＳ领域最先研究了多用户场景下系统吞逡逑吐率与系统时间分配策略之间的关系。考虑如图１－２所示的单信道、单天线，半逡逑双工的ＷＰＣＳ，系统中的设备均靠收集来自基站的下行ＲＦ信号所携带的能量来逡逑传输数据，系统采用先收集能量后传输数据的协议对用户进行无线充电并调度用逡逑户传输数据。基于上述系统，文献［５７］建立了用户的能量收集模型，并根据尽力逡逑而为（Ｂｅｓｔ邋Ｅｆｆｏｒｔ）的功率配置原则对基站发送上行数据。由于不同用户距离基站的逡逑位置不同，用户所收集到的能量在数量上也因此存在差异，文献［５７］进一步分别逡逑以系统总的上行吞吐率和所有用户能够同时获得的上行吞吐率为指标，提出了两逡逑个关于最大化吞吐率的优化问题，并最终分别得到了相应的最优系统时间分配算逡逑法。值得一提的是，文献［５７］的分析表明了在ＷＰＣＳ中采用相同的基站或者接入逡逑点对用户进行无线充电和接收用户发送的上行数据会产生双倍远近（Ｄｏｕｂｌｙ逡逑Ｎｅａｒ－Ｆａｒ）效应

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