无线协作中继网络的资源分配和信息能量同传技术的研究

发布时间：2017-05-26 11:18

  本文关键词：无线协作中继网络的资源分配和信息能量同传技术的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现代通信技术在短短几十年间经历了从模拟到数字、从固定到移动、从低速到高速的重大变革,信息通信产业在飞速发展的同时,其巨大的能量消耗及二氧化碳排放量已引起人们的重视,人们希望在保证用户通信质量的同时,能够降低通信网络的能量消耗和环保压力；与此同时,无线通信与有线通信相比能够适应一些苛刻的、或是特殊的应用环境,例如在恶劣环境下的无线传感器节点和植入人体的精密医疗芯片等,其中的无线设备既无法通过连接电网供电又无法经常更换电池,使得通信质量和设备使用寿命严重受到有限电池容量的制约,因此需要一种有效的手段来为能量受限设备提供连续且稳定的电能供应以延长设备以及整个网络的使用寿命。针对上述问题,本文做了两方面工作,一方面,通过结合网络编码技术设计传输协议,合理分配网络中有限的带宽资源来降低协作中继网络中能量受限用户的功率消耗；另一方面,采用近两年新兴的无线信息和能量的同时传输技术,即SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer),使网络中能量受限的节点能够从周围环境的射频信号中收集能量并用于后续的无线信息传输,以此来维持网络的正常通信并提高通信质量。主要工作和贡献如下： (1)以降低移动用户的平均发送功率为目标,研究多用户中继蜂窝小区的资源分配和中继部署问题。首先,结合数字网络编码技术,提出支持双向传输的多模态小区的用户带宽资源分配方法和传输模式选择策略：在此基础之上,构造出一个小区用户平均发送功率关于用户传输模式选择和中继部署位置的联合优化问题；由于该问题非凸,设计了一种基于遗传算法(Genetic Algorithm, GA)的优化算法,该算法能够快速收敛并获得小区最优中继部署位置和用户传输模式；此外,还研究了小区不同频率复用类型对移动用户发送功率和系统频谱效率的影响。大量仿真结果表明,中继采用网络编码协作模式相比于传统译码转发模式能延长移动用户6%以上的生命周期,同时能获得更高的系统频谱效率。 (2)研究部署SWIPT技术的双向传输中继系统性能,目的是给出系统中断性能的定量刻画方式。首先考虑两种实用接收机：PS (Power Splitting)接收机和TS (Time Switching)接收机,并结合数字网络编码技术分别设计了两种中继传输协议,即PSNCR协议和TSNCR协议；其次,在中继无源的情况下,分别给出采用两种协议时系统中断概率的闭式表达式和在高信噪比条件下的近似表达式；进一步地,以最小化系统中断概率为目标建立最优化模型,并设计优化算法得到系统的最优配置参数；在此基础之上,给出系统最优参数选择区域映射表。大量仿真实验证明网络编码技术结合SWIFT技术能够大大降低系统的中断概率；同时发现,与传统非能量收集的双向传输中继系统相比,采用SWIPT技术的系统中中继位置对系统中断性能的影响有很大差别：当部署能量收集技术的中继位于两个源节点的中间位置时,系统的中断性能反而最差,这与传统的非能量收集双向传输系统中的情形正好相反。 (3)针对采用模拟网络编码中继协作的多用户传输系统,研究部署SWIPT技术的系统中断性能。首先针对PS接收机和TS接收机分别提出两种中继协议,即TSCMT协议和PSCMT协议,使得无源中继能够从源发出的信号中收集能量,并用于协助多用户信息的传输；针对提出的每种协议,分别分析了系统的中断性能,并给出采用每种协议下系统中断概率的闭式表达式和在高信噪比条件下中断概率的近似表达式；基于中断概率的理论分析结果,详细讨论了系统配置参数对中断性能的影响；仿真实验表明,借助部署SWIPT技术的中继协作进行的多用户传输能够提高系统的传输可靠性、降低中断概率。此外,由于协作中继是无源的,其能量补给来源于网络中传输的射频信号,因此,中继在降低系统中断概率的同时并没有增加网络的能量开销。 (4)将SWIPT技术推广到译码转发协作的MIMO-OFDM中继系统,研究两跳系统的可达速率性能。首先针对PS接收机和TS接收机分别提出两种中继协议,即TSDFR协议和PSDFR协议,使得无源中继能够从源节点发送的信号中收集能量,并用于后续协助传输信息给目的节点；其次,针对每种协议分别从理论上分析系统的可达速率性能,并构造出可达速率最大化的优化问题；根据每个优化问题中采用的接收机特性首先将非凸的问题进行逐步分解,在得出部分精确理论结果的基础之上,设计了一种基于增广拉格朗日罚函数方法的优化算法来联合优化系统的多个配置参数(包括功率分配方式和TSDFR协议中的能量收集时间),该算法能快速准确地得到系统的最优配置参数使系统的可达速率最大化；大量仿真结果表明,PSDFR协议与TSDFR协议相比能够获得更高的可达速率；同时发现,中继位置同样影响着系统的可达速率,当部署能量收集技术的中继位于源节点和目的节点的中间位置时,系统的可达速率反而变低,这与传统非能量收集的两跳中继系统中的情形正好相反。
【关键词】：能量收集 无线信息和能量的同时传输 中继 协作通信 资源分配 中断概率 MIMO OFDM
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN925
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 目录11-14
• ~.略语对照表14-15
• 1 绪论15-33
• 1.1 引言15-16
• 1.2 无线通信的发展及挑战16-19
• 1.3 提高网络能效的传输技术概述19-28
• 1.3.1 中继技术19-21
• 1.3.2 网络编码技术21-23
• 1.3.3 SWIPT 技术23-28
• 1.4 论文研究内容和主要贡献28-31
• 1.5 论文组织结构和内容安排31-33
• 2 网络编码双向协作中继网络的资源分配33-55
• 2.1 引言33-34
• 2.2 相关工作34-36
• 2.3 系统模型36-39
• 2.3.1 网络设置36-37
• 2.3.2 路径损耗模型和发送功率描述37-38
• 2.3.3 频率复用型38-39
• 2.4 小区带宽分配及传输模式选择策略39-43
• 2.4.1 网络编码中继协作模式的带宽分配39-42
• 2.4.2 传统中继译码转发协作模式的带宽分配42-43
• 2.5 优化问题及优化算法43-45
• 2.5.1 优化问题描述43-44
• 2.5.2 基于遗传算法的最优带宽分配及中继位置优化算法44-45
• 2.6 仿真结果与分析45-53
• 2.6.1 网络编码中继位置与最小发射功率优化结果45-48
• 2.6.2 译码转发协作中继位置与最小发射功率优化结果48-50
• 2.6.3 频率复用对系统性能的影响50-53
• 2.7 本章小结53-55
• 3 双向传输中继系统的SWIPT技术研究55-87
• 3.1 引言55-57
• 3.2 相关工作57-58
• 3.3 系统模型和传输协议58-62
• 3.3.1 系统模型和假设58-59
• 3.3.2 传输协议描述59-62
• 3.4 能量收集双向传输中继系统的中断性能分析62-71
• 3.4.1 PSNCR协议的中断概率62-65
• 3.4.2 PSFPR协议的中断概率65-68
• 3.4.3 TSNCR协议的中断概率68-70
• 3.4.4 TSFPR协议的中断概率70-71
• 3.5 中断最优系统设计71-72
• 3.5.1 优化问题描述71-72
• 3.5.2 优化算法72
• 3.6 仿真结果与分析72-85
• 3.6.1 中断概率分析验证73-75
• 3.6.2 参数α,ρ和θ对系统中断性能的影响75
• 3.6.3 系统最优参数选择区域75-78
• 3.6.4 中继位置对系统中断概率的影响78-80
• 3.6.5 源发送功率对系统中断概率的影响80-82
• 3.6.6 噪声对系统中断概率的影响82-85
• 3.7 本章小结85-87
• 4 中继协作多用户传输系统的SWIPT技术研究87-103
• 4.1 引言87-89
• 4.2 系统模型89
• 4.3 TSCMT协议与中断性能分析89-94
• 4.3.1 协议描述89-90
• 4.3.2 系统中断概率分析90-94
• 4.4 PSCMT协议与中断性能分析94-97
• 4.4.1 协议描述94-95
• 4.4.2 系统中断概率分析95-97
• 4.5 仿真结果与分析97-101
• 4.5.1 中断概率分析验证98
• 4.5.2 源发送功率对系统中断概率的影响98-101
• 4.5.3 中继位置对系统中断概率的影响101
• 4.6 本章小结101-103
• 5 MIMO-OFDM中继系统的SWIPT技术研究103-129
• 5.1 引言103-105
• 5.2 相关技术介绍105-106
• 5.3 系统模型106-108
• 5.3.1 系统模型和假设106
• 5.3.2 DF MIMO-OFDM中继系统的基本传输过程106-108
• 5.4 协议描述和优化问题108-113
• 5.4.1 TSDFR协议和优化问题109-111
• 5.4.2 PSDFR协议和优化问题111-113
• 5.5 可达速率优化113-121
• 5.5.1 TSDFR协议的可达速率优化113-119
• 5.5.2 PSDFR协议的可达速率优化119-121
• 5.6 仿真结果与分析121-126
• 5.6.1 可达速率性能分析验证123
• 5.6.2 位置参数φ对系统可达速率的影响123-125
• 5.6.3 天线数N对系统可达速率的影响125-126
• 5.6.4 子载波数K对系统可达速率的影响126
• 5.7 本章小结126-129
• 6 总结与展望129-133
• 6.1 工作总结129-130
• 6.2 未来研究展望130-133
• 参考文献133-144
• 作者简历144-145
• 攻读博士学位期间发表的学术论文145-147
• 攻读博士学位期间参与的科研项目147-151
• 学位论文数据集151

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 吕凌;于宏毅;;物理层网络编码分组的机会中继[J];电子与信息学报;2009年07期

2 熊轲;樊平毅;易粟;雷鸣;;中继蜂窝网络下行协作网络编码中继方法(英文)[J];中国通信;2013年07期

3 杜冠瑶;熊轲;李丹丹;张煜;裘正定;;基于网络编码的能量最小化带宽分配方法[J];应用科学学报;2013年04期

  本文关键词：无线协作中继网络的资源分配和信息能量同传技术的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：396649