多天线系统的无线信息和能量传输机制

发布时间：2017-05-03 21:13

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【摘要】：受下一代无线网络中绿色通信趋势的启发,无线信息和能量传输技术因其可以在接收源节点信息的同时捕获能量的特性而受到了越来越多研究者的关注。无线信息和能量传输和多天线系统的结合可以使网络在有效降低能量消耗的情况下,有效提升系统的性能,从而满足通信业务发展的需求。另一方面,随着无线终端的激增以及频率复用的加剧,同频干扰渐渐成为了限制系统性能进一步提升的重要瓶颈,然而干扰却可以增加系统捕获到的能量。因此,研究无线信息和能量传输在干扰受限环境下的性能,提出相应的算法和能量机制有着重要的现实意义。首先,本论文研究了大规模多天线系统在无线信息和能量传输中在有干扰影响的情况下所带来的好处。通常干扰在无线信息和能量传输中具有两面性,即干扰信号接收,但可以增加捕获的能量。本文采用了天线分割技术而非利用全部的天线来实现干扰消除。分割后的天线分为两个集合,其中一个集合用于信息解码,而剩下的天线用于捕获能量。因此,在ID和EH之间存在一个折中的选择。本文研究了在有干扰影响下大规模多天线系统的可达R-E域,大规模多天线系统采用了ZF或者是MMSE来解码。由于最优问题是NP难题,本文还提出了一种低复杂度算法,使得在具有捕获能量约束的条件下最大化信息传输速率。本文还进一步将WIET应用在大规模多天线中继的两条系统上。不论是单跳还是两跳系统,低复杂度算法和最优算法具有性能“半逼近”的特性。接下来,本论文提出了一种合作中继系统中机会式转发的无线信息和能量传输机制。系统中中继节点仅将捕获到的能量作为转发给目的节点时候的功率使用。因此,在转发时候存在了信息解码和能量捕获之间的折中。本文分析了这个折中并将其建模成一个在EH/ID工作模式选择和传输功率分配上的优化问题。利用拉格朗日极值法,可以获得最优的机会是中继策略和功率分配解。因为最优问题也具有NP难题的特性,利用松弛变变量方法获得了EH/ID模式选择上的低复杂度算法。本文进一步研究了合作中继节点之间的能量获得。由于每个节点独立捕获到的能量不同,有效的能量合作策略可以有效地提高能量使用效率,但是在实际系统中也会有能量合作中损失很多能量的困难。利用拉格朗日对偶问题获得了能量合作策略的最优解,并且合作策略呈现了两级注水的结构。最后,本论文利用随机几何来对中继辅助的无线信息和能量传输网络进行建模。网络中源-目的节点对是随机出现的,它们之间的通信是通过一个具有能量捕获能力的中继节点。中继节点采用功率分割技术来同时接收信息和捕获能量。不同于之前研究的单源单目的节点的情况,网络中的干扰是随机的,并且其分布是由所有发送信号的节点所采取的策略所决定的。而各个节点所采用的最优的策略又需要由干扰的分布所决定。为了解决这个问题,本文将其建模成一个凸优化问题并利用拉格朗日对偶获得最优解。通过提出的接收功率分割和发送功率控制算法,中继节点可以采用最优策略使得网络的吞吐量最大。
【关键词】：能量捕获 无线信息和能量传输 多天线 中继系统 随机几何
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN92
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