多用户信能同传系统的收发机优化设计

发布时间：2017-09-19 16:01

  本文关键词：多用户信能同传系统的收发机优化设计

  更多相关文章： 无线信能同传系统 凹凸优化 拉格朗日松弛 功率分裂 预编码 能效优化 采集能量

【摘要】：为了应对能源危机和环境污染问题,发展绿色通信技术是当前通信界的一个重要课题。除了降低通信能耗,对新能源的有效利用也是实现绿色通信的重要一环。作为一种潜在的绿色能源,无线电波可以用来同时传输信息与能量。因此,有必要研究信息与能量同时传输的无线通信系统(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer System,SWIPT,以下简称为无线信能同传系统)及其高效传输理论。本文首先考虑一个基于功率分裂型接收机的多用户多入单出(Multi Input Single Output,MISO)无线信能同传系统,其中每一个单天线接收机将接收到的信号分裂为两部分,其中一部分用于信息译码,另外一部分用为能量采集。然后针对该系统模型,利用先进的凸优化等理论工具开展多用户无线信能同传系统的高效传输机制研究,具体包括:(1)基于传输功率最小化的多用户信能同传系统低复杂度收发机设计:本文首先研究了满足信干噪比(Signal-to-interference-plus-noise ratio,SINR)与采集能量约束(Energy harvest,EH)下的传输功率最小化问题,旨在满足服务质量的前提条件下实现系统传输功率最小化。考虑到现有文献中基于半正定松弛的最优收发机设计算法具有较高的计算复杂度,本文提出了一种基于加权最大合并比—迫零预编码的低复杂度收发机设计算法。仿真表明本文所设计的低复杂度方法在性能上能够接近最优性能。(2)基于采集能量最大化的多用户信能同传系统收发机设计:与传统的无线通信系统相比,多用户信能同传系统收发机的一个设计目标是实现采集能量的最大化。为此,本文考虑了在满足服务质量(即信干噪比达到一定门限)的前提条件下,实现采集能量最大化。由于能量采集函数与信干噪比函数的高度非凸非线性特性,本文采用约束凹凸优化(Constrained Concave-Convex Procedure)思想对原问题进行一系列转化得到原问题的近似凸问题,然后迭代地求解这些凸问题以实现采集能量的最大化。另外,本文针对采集能量最大化问题还考虑了基于迫零预编码的低复杂度采集能量优化方案,并利用仿真比较了两种方案的性能。(3)基于能效优化的多用户信能同传系统收发机优化设计:作为衡量无线通信系统“绿色”与否的重要性能指标,对信能同传系统的能效优化展开研究具有重要意义。为了求解SWIPT系统下的能效优化(Energy Efficiency Optimization,EEO)问题,考虑到能效函数的高度复杂性,包括系统和速率(Sum-Rate)函数和采集能量函数的高度非线性和非凸性以及与功率分裂因子的高度耦合性。本文针对一般多用户MISO SWIPT系统,利用加权最小均方误差(Weighted Minimum Mean Square Error,WMMSE)方法和约束凹凸优化思想提出了迭代收发机设计算法。同时,本文还考虑了针对采用迫零预编码的多用户MISO SWIPT系统的能效优化方案。采用迫零预编码的系统能效优化问题可进一步简化为功率分配和功率分裂因子联合优化问题,然后根据问题结构采用拉格朗日松弛方法得到简单的收发机设计算法。另外,本文还通过成比例地给每一个用户分配独立的发射功率设计了一种复杂度更低的收发机设计算法。最后通过仿真验证了各种能效优化算法的性能。
【关键词】：无线信能同传系统 凹凸优化 拉格朗日松弛 功率分裂 预编码 能效优化 采集能量
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN859
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 无线能量传输的研究现状11-12
• 1.2.2 无线信能同传系统的国内外研究现状12-15
• 1.3 多用户信能同传系统介绍及本文主要工作15-20
• 1.3.1 多用户信能同传系统介绍15-18
• 1.3.2 本文主要工作18-20
• 1.4 本文结构安排20-21
• 第二章 基于传输功率最小化的多用户信能同传系统低复杂度收发机设计21-30
• 2.1 传输功率最小化问题描述21-23
• 2.2 基于加权MRT-ZF预编码的低复杂度收发机设计23-27
• 2.2.1 加权MRT-ZF预编码方案23-24
• 2.2.2 基于半正定松弛的优化算法24-27
• 2.3 仿真实验27-29
• 2.3.1 仿真参数设置27
• 2.3.2 仿真结果分析与讨论27-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 基于采集能量最大化的多用户信能同传系统收发机设计30-44
• 3.1 基于一般预编码的收发机设计30-35
• 3.1.1 问题描述30-31
• 3.1.2 基于CCCP的优化算法31-35
• 3.2 基于迫零预编码的低复杂度收发机设计35-40
• 3.2.1 基于迫零预编码的采集能量最大化问题35-36
• 3.2.2 基于拉格朗日松弛的优化算法36-40
• 3.3 仿真实验40-43
• 3.3.1 仿真参数设置40-41
• 3.3.2 仿真结果分析与讨论41-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 基于能效优化的多用户信能同传系统收发机设计44-73
• 4.1 基于一般预编码的收发机设计44-53
• 4.1.1 问题描述44-45
• 4.1.2 基于CCCP的优化算法45-53
• 4.2 基于迫零预编码的低复杂度收发机设计53-66
• 4.2.1 基于迫零预编码的能效最大化问题53-56
• 4.2.2 基于拉格朗日松弛的优化算法56-65
• 4.2.3 基于Dinkelbach的单层迭代低复杂度优化算法65-66
• 4.3 仿真实验66-72
• 4.3.1 仿真参数设置66-68
• 4.3.2 仿真结果分析与讨论68-72
• 4.4 本章小结72-73
• 第五章 总结与展望73-75
• 5.1 工作总结73-74
• 5.2 展望74-75
• 参考文献75-79
• 致谢79-80
• 攻读学位期间的研究成果80

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本文编号：882548