基于射频能量收集的双向中继网络传输优化研究

发布时间：2020-10-19 07:03

　　 物联网、无线传感器网络的快速发展,要求无线通信传输设计在考虑更广覆盖、更高速率的通信服务的同时,解决影响网络生存时间的能源消耗问题。基于射频信息的无线能量收集技术是解决能量问题的一项关键技术,该技术能与无线信息传输结合,构建信息和能量同时传输的通信机制。中继传输能扩大传输距离、提高传输可靠性,是满足万物互联需求的一项核心技术,随着用户数量的剧增以及物联网多形态传输的发展,用户之间的协作会成为常态,因此,研究基于射频能量收集的中继网络传输优化对未来通信发展有着重要意义。基于此,本文深入分析几种典型双向中继网络的信息能量同传及优化方案,开展了以下三个方面的研究工作:一、研究了双向DF中继网络的信能同传与优化方案。针对采用PS能量收集和DF中继转发方式的双向中继网络,首先基于有效性研究的驱使,建立以最大化系统可达传输总速率为目标的最优功率分割比优化问题,并提出一种最优功率分割比优化算法,得到满足该优化问题的最优功率分割比的闭式解;然后基于可靠性研究的驱使,建立考虑传输总功率限制下的最小化系统中断概率优化问题,旨在联合优化源端功率分配和中继功率分割比来提升中断性能,由于参数之间存在耦合性导致难以直接求解该联合优化问题,提出一种两步次优求解算法,求解并得到最优功率分配和功率分割比分配的闭式解。仿真验证了所求闭式解的正确性,分析了发送功率、中继位置等参数对最优传输设计的影响,并证明了所提优化传输方案的性能优越性。二、研究了认知双向中继网络的信能同传以及满足传输公平性的联合资源优化方案。在考虑认知网络采用underlay频谱共享方式与主用户共存情况下,以最大化最小认知用户传输速率为目标,建立功率控制下的联合优化问题,旨在保证主用户传输需求下,通过最优分配认知用户发送功率以及传输过程中的两个重要参数(时间和功率分割比)来最大化最小认知用户的传输性能。由于该联合优化问题是一个复杂的非凸优化问题,难以直接求解,提出一个循环分步交替优化算法,得到满足该优化问题的最优资源分配。该算法通过将原优化问题转化为循环求解一个凸优化问题和一个交替优化问题,避免了直接求解的复杂性。仿真证明了所提传输方案能改善信道的非对称传输,分析了主网络干扰忍耐门限、用户最大峰值功率等对认知网络最优传输设计的影响,并证明了所提优化算法的性能优越性。三、研究了考虑硬件损伤条件的信能同传及联合资源优化方案。考虑到实际物理器件往往存在不可避免的硬件损伤,结合硬件损伤影响下的信号模型,设计了硬件损伤影响下的信息能量同传,并分别建立双向AF和双向DF中继系统在满足传输公平性下,以最大化可达传输总速率为目标的优化问题。针对AF方案,推导了满足目标函数最大化的最优功率分割比的闭式解。针对DF方案,考虑到时间分配可进一步改善DF传输方案的性能,设计了联合优化时间和功分比分配来最大化目标函数的优化方案,为求解该优化问题,首先提出基于交替优化的联合优化算法;接下来,考虑到交替优化算法的迭代求解仍具有较高复杂度,通过分析硬件损伤下的性能饱和性,提出一个适合硬件损伤模型的基于松弛上界的次优求解算法。仿真对比分析了硬件损伤对AF和DF系统传输性能的影响,证明了DF方案中的次优算法是联合最优传输性能的近似解,同时验证了所提优化传输方案的性能优越性。
【学位单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.5;TP391.44
【部分图文】：

重庆邮电大学博士学位论文 1 绪论引起的不对称传输问题，分析了主网络干扰忍耐门限、用户最大峰值功率等对认知网络最优传输设计的影响，并比较了所提算法与传统优化方案的系统性能。3）考虑实际硬件损伤对系统传输信号的影响，基于 PS 能量收集建立了双向中继系统的信息能量同传模型。然后，结合 AF 和 DF 中继转发协议，分别建立了以满足传输速率公平的最大化可达传输总速率为目标的优化问题。针对 AF 方案，考虑优化功率分割比来最大化目标函数，推导了满足该优化问题的最优功率分割比的闭式解。针对 DF 方案，考虑联合优化时间和功分比来最大化目标函数，并分别提出一个基于交替优化的联合时间和功率分割比的优化算法以及一个基于松弛上界的低复杂度次优求解算法。仿真比较分析了硬件损伤对 AF 系统和 DF 系统的传输性能影响，验证得到 DF 方案中的次优算法是联合最优传输性能的近似解，并比较了所提传输方案与传统传输方案的性能。

图 2.1 无线能量收集的一般传输网络架构Fig.2.1 AGeneral network model for wireless powered communication与从其它自然资源如太阳能、风能等能量收集方式不同，通过 RF 无线信号能量收集具有这些特点：1）RF 能量源能提供连续不断，不受气候、时间等影响的远距离能量传输；2）当传输距离和能量传输源能量固定时，传输的能量是可预测的；3）收集的能量总量受信道条件的影响。按照传输性质，RF 能量源可分为两种类型：专有 RF 能量源（Dedicated ource）和周边 RF 能量源（Ambient RF Source）：1）专有 RF 能量源：该能量源通常设立在需要提供持续不断且要求有稳定供给的网络节点附近。这些专有 RF 能量源既可以利用非授权频段（licence-fr可以利用授权频段进行 RF 能量传输。文献[65]设计了一种授权频段下基于圆布式天线的分布式能量站作为网络的能量供给源。文献[66]研究了基于毫米波的无线自组织网络借助能量站供能的通信方案。然而，专用 RF 能量源的设置

RF 能量源：我们称周期性工作的 RF 能量源或采用时变源为动态周边 RF 能量源，常见的有 WiFi 接入点和认知。当这些动态周边 RF 能量源处于信息或能量传输阶段点便可以在该特定频率范围内搜索传输的RF信号获取知无线电网络中的能量收集，次用户从临近的发射主用在主用户处于空闲阶段时，将该能量用于自身的信息传 RF 能量收集的通信设备基础结构出了一个具备 RF 能量收集能力的通信设备的基础结构块、能量处理模块和通信模块三部分。整流模块的主要（AC 交流型）转换为 DC 直流信号，它主要由能量收线信号接收机构成。能量处理模块主要决定能量的传输量管理单元和能量储存单元构成。通信模块则是利用收操作模块，它主要由 CPU/传感器、收发器以及通信天
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘皓霜;网络性能的监控与管理——关于WireTap的分析与研究[J];中国纺织大学学报;1998年06期

2 张丰;OSI网络层:分析、描述、验证和实现[J];计算机学报;1989年09期

3 雷波;;影响DECnet网络性能的关键性技术的分析[J];计算机工程与应用;1989年03期

4 韩忠华;吕哲;王金涛;董晓婷;;基于物联网的智能家居系统网络层设计[J];沈阳建筑大学学报(自然科学版);2017年04期

5 仲冬竹,张伟;基于CORBA的网络层管理软件的设计与开发[J];计算机应用研究;2001年02期

6 孟洛明;有关个人通信中网络层标准的若干问题[J];现代电信科技;1994年12期

7 ;网络层防毒——防毒技术的新变革[J];中国金融电脑;2006年03期

8 史文祥,朱红专,郑建宏;TD-SCDMA终端通用分组业务网络层研究[J];重庆邮电学院学报(自然科学版);2004年03期

9 龙根炳;;IP地址的设计与应用[J];铜仁职业技术学院学报;2007年03期

10 李兆斌;夏潇;刘倩;马宇;;网络层设备性能测试方法概述[J];计算机科学;2015年S1期

相关博士学位论文 前10条

1 刘唯一;基于网络信息的社团发现关键技术研究[D];电子科技大学;2019年

2 何松柏;基于复杂网络的投送保障网络构建与控制策略研究[D];河北工业大学;2017年

3 彭醇陵;基于射频能量收集的双向中继网络传输优化研究[D];重庆邮电大学;2019年

4 陈伟琦;水声网络可靠组网与传输技术[D];华南理工大学;2019年

5 杨超群;基于信息融合的网络雷达系统安全问题研究[D];浙江大学;2019年

6 阙灿;基于802.11的无线Mesh网络中机会通信协议的研究[D];中国科学技术大学;2018年

7 阮玉晗;面向新型混合星地网络的资源分配与性能分析[D];西安电子科技大学;2018年

8 魏峰;移动边缘网络中资源分配问题研究[D];北京邮电大学;2019年

9 许中虎;去中心化群智网络中的信息传输新机制、可传输性与传输技术研究[D];中国科学技术大学;2019年

10 曲存全;图与网络的结构和动力学研究[D];山东大学;2019年

相关硕士学位论文 前10条

1 王泽勋;复杂网络中协同传播及其控制策略研究[D];电子科技大学;2019年

2 焦顺丹;网络功能虚拟化映射机制研究[D];电子科技大学;2019年

3 何媛;基于属性网络的深度特征学习算法研究[D];合肥工业大学;2019年

4 王潇;标识网络中基于多维特征的用户监管机制的研究与实现[D];北京交通大学;2019年

5 伊晓飞;考虑尾量最小的快递运输服务网络优化研究[D];北京交通大学;2019年

6 刘泽羲;基于多层复杂网络的海运网络及其鲁棒性分析[D];天津大学;2018年

7 梅晨;自编码网络优化及其应用[D];深圳大学;2018年

8 刘宇通;车辆自组织网络中丢包特征研究[D];天津理工大学;2019年

9 刘伟;面向5G光接入的网络切片与边缘云资源编排技术[D];北京邮电大学;2019年

10 史勉勉;面向故障分析的多维网络可视化研究[D];北京邮电大学;2019年

本文编号：2846885