基于射频能量收集与无速率编码的协作中继网络研究

发布时间：2018-01-12 17:14

本文关键词：基于射频能量收集与无速率编码的协作中继网络研究　出处：《北京交通大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：无线通信在过去几十年间已取得飞速发展,社会的发展促使人们对无线通信系统提出更高的要求。一方面,人们希望获得更高速率的通信服务。另一方面,人们也开始关注诸如无线传感器网络、物联网等能量受限网络,其中的无线设备通常既无法连接到电网,也难以频繁充电或更换电池。对于上述网络,在满足基本通信服务的前提下,如何获取稳定持续的能量供应从而延长网络生存时间已成为关注的焦点。协作中继技术因具有改善通信效率、扩展通信范围等优势而受到广泛关注,本文以协作中继网络为基本对象展开研究。为了达到延长协作中继网络生存时间的目标,采用射频能量收集技术(包括无线能量驱动网络技术(Wireless Powered Communication Networks,WPCN)和无线信息与能量同传技术(Simultaneous Wire-less Information and Power Transfer,SWIPT))为网络中的能量受限节点提供通信所需的能量。另外,为了达到改善网络通信质量的目标,采用具有前向纠错、自适应信道变化及极低反馈等优势的无速率编码(喷泉码)技术增强协作中继网络的性能。本文通过融合上述技术以满足未来通信发展的需要,主要工作和贡献如下:第一,研究基于WPCN的用户协作网络的策略设计与优化。针对能量受限的两用户协作网络,部署能量站为其供应能量,并提出利用能量波束成形(Energy Beamforming)提高能量传输效率。为探讨系统性能限,通过联合优化能量波束成形设计和时间分配,建立优化问题最大化用户的加权和速率。而且,对于给定用户传输信息量的情况,建立优化问题最小化两用户的总传输时间。由于优化问题是非凸的,难以处理,因此利用恰当的变量替换和半正定松弛(SemiDefinite Relaxation)技术,提出有效的全局最优算法来解决两个优化问题。研究结果表明本文提出的算法能够显著增强系统性能。结果也表明相对于不采用用户协作的直接传输模式,当两用户的距离较近时,用户协作传输模式要优于直接传输模式。第二,研究基于SWIPT的OFDM协作中继网络的策略设计与优化。针对具有能量受限中继节点的两跳OFDM中继网络,研究两种基于PS(Power Splitting)接收机架构的适用于OFDM系统的SWIPT接收机,即IPS接收机和DPS接收机,并给出两种接收机的系统可达信息速率表达式。进一步为探讨系统性能限,通过联合优化资源分配,建立优化问题最大化系统可达速率。由于优化问题是非凸的,难以处理,因此基于理论分析,对IPS接收机和DPS接收机分别提出两步和三步的有效优化算法来解决。研究结果表明本文提出的方法分别达到了两种接收机的最大可达信息速率,且IPS接收机具有更高的可达信息速率,而DPS接收机具有更低的计算复杂度。此外,为了获得最佳的系统性能,在部署SWIPT的OFDM中继系统中,中继节点应当部署在靠近源节点的位置,而在传统的非SWIPT系统中,中继节点应当部署在源节点到目的节点的中间位置。第三,研究基于SWIPT与无速率编码的协作中继网络的策略设计与优化。针对具有能量受限中继节点的无速率编码协作中继网络,提出三种SWIPT中继协议,即理想协议,PS协议和TS(Time Switching)协议,并考虑两种信息接收方式,即信息累积方式和能量累积方式。给出三种协议的可达信息速率表达式。为探讨各中继协议的性能限,建立优化问题并提出有效算法得出各协议的最大可达信息速率。对于理想协议,推导了问题的显式最优解。对于PS协议,提出了一个线性搜索算法来解决。对于TS协议,通过推导系统优化变量之间的函数关系提出了有效的方法来解决。研究结果表明对于相同的SWIPT中继协议,信息累积接收方式的可达速率优于能量累积接收方式,而对于相同的信息接收方式,PS协议优于TS协议。而且相比未部署无速率编码的SWIPT中继系统,无速率编码的部署使得系统性能得到显著改善。结果也表明当中继部署在靠近源节点的位置时,系统达到最佳性能。第四,研究基于无速率编码的协作中继网络的策略设计与性能。不同于上述工作针对部署射频能量收集的网络展开研究,本工作研究未部署射频能量收集的网络。首先,针对无速率编码的协作多中继网络,研究信道的非正交性对系统性能的影响,并应用概率论推导了瑞利衰落信道下的系统可达信息速率的概率密度函数及平均信息速率。结果表明信道的非正交性会显著降低无速率编码协作中继网络的平均信息速率性能。然后,针对无线蝶形网络,研究无速率编码和网络编码的融合问题,提出了喷泉网络编码方案,并应用概率论分析了其吞吐量性能。结果表明相对于无编码方案和传统的机会网络编码方案,喷泉网络编码方案能够改善系统吞吐量性能。
[Abstract]:In order to achieve the goal of improving the quality of network communication , the paper proposes an effective global optimization algorithm to improve the performance of cooperative relay networks . In order to achieve the best performance of the system , the optimal solution is proposed to solve the problem . In order to achieve the best performance of the system , the optimal solution is proposed to solve the problem .

【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.5

【参考文献】