發(fā)布時(shí)間：2020-10-28 02:52

　　 能量收集網(wǎng)絡(luò)是一類通過收集諸如震動(dòng)、熱能、太陽能、風(fēng)能、輻射等環(huán)境能源,將其轉(zhuǎn)化為可用的電能為無線電子設(shè)備供電的網(wǎng)絡(luò)。能量收集網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)闊o線傳感網(wǎng)、植入或穿戴設(shè)備、移動(dòng)終端設(shè)備等提供新型解決方案,提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的自治能力,拓寬網(wǎng)絡(luò)部署范圍,提升設(shè)備生命周期,同時(shí)降低運(yùn)行和維護(hù)成本。能量收集網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)是其發(fā)展與應(yīng)用過程中的關(guān)鍵問題。系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)需綜合考慮系統(tǒng)能量收集狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)、通訊環(huán)境等,繼而在能量收集、能耗均衡、吞吐量、安全速率等約束下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能與能耗之間以及能量傳輸與信息傳輸之間的均衡。本文基于場(chǎng)景生成技術(shù)、不確定理論、凸優(yōu)化以及數(shù)理分析等方法對(duì)能量收集網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行規(guī)劃相關(guān)問題展開研究。本研究將對(duì)推動(dòng)能量收集網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展部署和推廣應(yīng)用提供有價(jià)值的理論參考和技術(shù)手段。主要研究?jī)?nèi)容為:1)現(xiàn)有的能量收集網(wǎng)絡(luò)大多采用解析概率分布函數(shù)刻畫能量收集過程,對(duì)真實(shí)情況模擬的準(zhǔn)確度和真實(shí)性偏差較大。因此,本文提出基于場(chǎng)景生成技術(shù)的能量收集模擬方法。該方法基于系統(tǒng)歷史收集能量,無需預(yù)設(shè)概率分布函數(shù),使用最優(yōu)消減技術(shù)生成單時(shí)段代表場(chǎng)景;然后,利用時(shí)齊模擬退火算法得到單日功率場(chǎng)景序列,繼而準(zhǔn)確模擬能量收集網(wǎng)絡(luò)中能量獲取序列的隨機(jī)性。以實(shí)際的風(fēng)電數(shù)據(jù)為例,通過與采集到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證所述方法的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性;然后以網(wǎng)絡(luò)吞吐量的優(yōu)化為例,驗(yàn)證該方法在能量收集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行中的可行性和有效性。2)能量收集過程具有極大的波動(dòng)性和不確定性,傳統(tǒng)方法基于解析概率分布函數(shù)刻畫能量收集過程,無法準(zhǔn)確模擬實(shí)際情況,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)死亡概率較高、可靠性無法保證。為此,提出能量收集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量收集可靠性定義,對(duì)節(jié)點(diǎn)能量收集的置信程度給出合理估計(jì)�；诓淮_定理論,對(duì)能量收集的可靠性進(jìn)行評(píng)估,分別建立節(jié)點(diǎn)無電池和無限容量電池情形下的能量收集可靠性模型。在此基礎(chǔ)上提出能量收集可靠性多層不確定規(guī)劃模型,對(duì)模型求解并提出一種能量平均分配(Energy Average Allocation,EAA)算法,并從理論上證明了該算法的競(jìng)爭(zhēng)比上界。最后,以實(shí)際的風(fēng)功率為例,驗(yàn)證模型和方法的可行性和有效性。3)能量收集網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展增加了能量受限型網(wǎng)絡(luò)的生命周期。然而目前的研究大多針對(duì)單一天線的系統(tǒng),且線性的能量收集模型難以準(zhǔn)確刻畫系統(tǒng)能量收集的動(dòng)態(tài)過程。為此,針對(duì)能量收集多用戶MIMO認(rèn)知無線供電通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),基于非線性能量收集模型分別建立overlay和underlay場(chǎng)景下的系統(tǒng)吞吐量?jī)?yōu)化模型;由于系統(tǒng)模型的參數(shù)耦合和非線性約束特性導(dǎo)致問題為聯(lián)合凹的,因此利用等效代換將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為等效凸問題,使用拉格朗日對(duì)偶方法求解;繼而分別給出能量與信息協(xié)方差矩陣最優(yōu)解形式及最優(yōu)時(shí)間分配系數(shù)的求解方法,并理論證明其最優(yōu)性。其后,基于實(shí)際的風(fēng)電能量收集數(shù)據(jù),驗(yàn)證算法的有效性及性能。4)研究基于SWIPT的MISO認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò),其中次級(jí)用戶與多個(gè)主網(wǎng)絡(luò)用戶和多個(gè)能量收集端共存。為了確保網(wǎng)絡(luò)的安全通訊以及能量收集,提出了在非完美CSI下安全人工噪聲輔助的波束成形和功率分配問題。其中分別基于限界CSI誤差模型和概率CSI誤差模型建立傳輸功率最小化問題和最大最小公平性能量收集問題。由于上述問題均為非凸的,因此分別提出限界CSI誤差模型下基于S-過程和概率CSI誤差模型下基于Bernstein型不等式的一維搜索算法。結(jié)果表明在限界CSI誤差模型下能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)安全波束成形,而在概率CSI誤差模型下能夠得到次優(yōu)波束成形解。同時(shí)在最大最小公平性原則下實(shí)現(xiàn)了次級(jí)用戶安全速率和能量收集端能量收集之間的均衡。最后,總結(jié)本文所研究的工作并展望能量收集網(wǎng)絡(luò)未來的研究與發(fā)展趨勢(shì)。
【學(xué)位單位】：廣西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM61
【部分圖文】：

圖１－１隨機(jī)能量到達(dá)的ＡＷＧＮ信道示意圖（ａ）無限容量電池（ｂ）無電池??Ｆｉｇ．?１－１?ＡＷＧＮ?ｃｈａｎｎｅｌ?ｗｉｔｈ?ｒａｎｄｏｍ?ｅｎｅｒｇｙ?ａｒｒｉｖａｌ?（ａ）?ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ?ｂａｔｔｅｒｙ?（ｂ）?ｎｏ?ｂａｔｔｅｒｙ??１．２．１．１無限容量電池的信道容量??首先每個(gè)碼字滿足約束（１－２），同時(shí)依據(jù)大數(shù)定理滿足平均功率約束（１－１），即??丄５］＇五戶。因此，能量收集系統(tǒng)的約束是嚴(yán)格的，即能量收集系統(tǒng)容量的上界受??經(jīng)典容量與平均功率約束的限制，該上界等于平均充電速率。??文獻(xiàn)［１３］給出了兩種實(shí)現(xiàn)上界的方式。一種是存儲(chǔ)再發(fā)送策略，發(fā)送端在起初的／２（？）??信道使用中存儲(chǔ)能量，繼而在剩余》－／？（？）的信道使用中依據(jù)碼本傳輸數(shù)據(jù)，該碼本依據(jù)??對(duì)功率的獨(dú)立同分布高斯采樣生成，等于平均充電速率Ｐ。令６（？）和《－＆（？）均趨于〇〇，??選取力（《）滿足〇（？），如嶺爐噸⑷，繼而可以實(shí)現(xiàn)ＡＷＧＮ容量。這一過程可以看做：??通過在存儲(chǔ)階段收集無限的能量，將數(shù)據(jù)發(fā)送階段的能量耗盡概率視作〇，同時(shí)通過選??擇辦（《）￣〇（？）使得在存儲(chǔ)階段不傳輸任何數(shù)據(jù)。另一種策略是最佳傳輸策略，即數(shù)據(jù)傳輸??

（ａ）?（ｂ）??圖１－１隨機(jī)能量到達(dá)的ＡＷＧＮ信道示意圖（ａ）無限容量電池（ｂ）無電池??Ｆｉｇ．?１－１?ＡＷＧＮ?ｃｈａｎｎｅｌ?ｗｉｔｈ?ｒａｎｄｏｍ?ｅｎｅｒｇｙ?ａｒｒｉｖａｌ?（ａ）?ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ?ｂａｔｔｅｒｙ?（ｂ）?ｎｏ?ｂａｔｔｅｒｙ??１．２．１．１無限容量電池的信道容量??首先每個(gè)碼字滿足約束（１－２），同時(shí)依據(jù)大數(shù)定理滿足平均功率約束（１－１），即??丄５］＇五戶。因此，能量收集系統(tǒng)的約束是嚴(yán)格的，即能量收集系統(tǒng)容量的上界受??經(jīng)典容量與平均功率約束的限制，該上界等于平均充電速率。??文獻(xiàn)［１３］給出了兩種實(shí)現(xiàn)上界的方式。一種是存儲(chǔ)再發(fā)送策略，發(fā)送端在起初的／２（？）??信道使用中存儲(chǔ)能量，繼而在剩余》－／？（？）的信道使用中依據(jù)碼本傳輸數(shù)據(jù)，該碼本依據(jù)??對(duì)功率的獨(dú)立同分布高斯采樣生成，等于平均充電速率Ｐ。令６（？）和《－＆（？）均趨于〇〇，??選取力（《）滿足〇（？），如嶺爐噸⑷，繼而可以實(shí)現(xiàn)ＡＷＧＮ容量。這一過程可以看做：??通過在存儲(chǔ)階段收集無限的能量

（ａ）?（ｂ）??圖１－２?（ａ）有限容量電池系統(tǒng)（ｂ）等效時(shí)間序列??Ｆｉｇ．?１－２?（ａ）?Ｌｉｍｉｔｅｄ?ｂａｔｔｅｉｙ?ｓｙｓｔｅｍ?（ｂ）?Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ?ｔｉｍｅ?ｓｅｒｉｅｓ??對(duì)于有限容量的電池，即０＜五？＾?＜〇〇，如圖ｌ－２（ａ）所示，信道輸入受到當(dāng)前電池中??能量的瞬時(shí)幅值約束。文獻(xiàn)［１４］和［１７］指出，當(dāng)信道輸入為高斯信道下的連續(xù)幅值約束??或獨(dú)立同分布的隨機(jī)幅值約束時(shí)，最優(yōu)輸入分布是離散的。然而，這種離散的質(zhì)點(diǎn)是任??意的實(shí)數(shù)，即跟蹤能量序列的動(dòng)態(tài)特性很困難。對(duì)于可跟蹤的抽象系統(tǒng)，文獻(xiàn)［１５］將能??量到達(dá)過程模擬為定量的數(shù)乘，繼而考慮基于該定量的物理層離散碼表。進(jìn)一步的分析??表明，文獻(xiàn)［１５］假設(shè)物理層是無噪聲二值信道，能量到達(dá)是二值的且電池為單位容量，??即使在如此簡(jiǎn)單的模型中，接收端對(duì)電池狀態(tài)的未知、電池狀態(tài)的時(shí)效性以及電池狀態(tài)??的估計(jì)精度
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 鄂世舉;郭壯;曹建波;任鈺雪;金建華;蔡建程;朱喜林;周武;;微能量收集技術(shù)及儲(chǔ)能器件研究[J];浙江師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2017年02期

2 Bruno Damien;Andrea Colognese;;因應(yīng)能量收集應(yīng)用的超低功率需求[J];中國集成電路;2014年05期

3 于成林;趙程;沈景鳳;付棲勇;李麗琛;;壓電能量收集技術(shù)的研究及應(yīng)用[J];中國水運(yùn)(下半月);2018年05期

4 Tony Armstrong;;物聯(lián)網(wǎng)可以從無線充電及能量收集中充分獲益[J];今日電子;2014年11期

5 王哲;李陶深;葉進(jìn);葛志輝;吳敏;;基于場(chǎng)景生成的能量收集網(wǎng)絡(luò)模擬方法[J];電子學(xué)報(bào);2018年08期

6 王文琦;費(fèi)廷偉;王學(xué)勇;孔祥營;;智能穿戴設(shè)備及其能量收集技術(shù)簡(jiǎn)述[J];軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品;2019年04期

7 王哲;李陶深;葉進(jìn);葛志輝;吳敏;;基于不確定理論的能量收集可靠性建模及規(guī)劃[J];通信學(xué)報(bào);2018年05期

8 羅麗;;EnOcean的能量收集技術(shù)帶來熱能應(yīng)用新突破[J];電腦與電信;2011年07期

9 康亞威;姚彥鑫;;能量收集型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中高效的能量調(diào)度算法[J];實(shí)驗(yàn)室研究與探索;2019年04期

10 虞偉亮;陽光銀行[J];第二課堂;2004年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 王哲;能量收集網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行規(guī)劃技術(shù)研究[D];廣西大學(xué);2019年

2 范保艷;PVDF基復(fù)合材料熱釋電能量收集及電卡特性研究[D];華中科技大學(xué);2018年

3 李職杜;基于網(wǎng)絡(luò)演算的能量收集通信系統(tǒng)性能的研究[D];北京郵電大學(xué);2018年

4 鈕金鑫;基于D2D與能量收集的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配研究[D];電子科技大學(xué);2017年

5 楊海露;基于壓電技術(shù)的路面變形能量收集系統(tǒng)研究及應(yīng)用[D];北京科技大學(xué);2018年

6 王軍雷;基于流機(jī)電多物理場(chǎng)耦合下渦激振動(dòng)能量收集模型及特性[D];重慶大學(xué);2014年

7 杜冠瑤;無線協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的資源分配和信息能量同傳技術(shù)的研究[D];北京交通大學(xué);2015年

8 魏勝;基于碰撞致上變頻原理的壓電能量收集技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

9 吳了;基于壓電能量收集的集成電路的研究與設(shè)計(jì)[D];湖南大學(xué);2017年

10 趙清華;無線傳感器節(jié)點(diǎn)能量管理系統(tǒng)的研究[D];太原理工大學(xué);2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 韓懷宇;面向能量收集的低壓?jiǎn)?dòng)及DC-DC變換芯片研究與設(shè)計(jì)[D];桂林電子科技大學(xué);2019年

2 黃瑞;基于環(huán)境能量收集的自供能無線傳感系統(tǒng)的能量管理研究[D];電子科技大學(xué);2019年

3 李明玉;能量收集MQAM無線通信系統(tǒng)基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的資源分配[D];吉林大學(xué);2019年

4 王偉瑩;基于中繼能量收集的協(xié)作通信中的吞吐量分析[D];廣州大學(xué);2019年

5 王元一;基于能量收集技術(shù)的綠色認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)功率分配算法研究[D];吉林大學(xué);2018年

6 邵美琪;基于能量收集的WBAN能量協(xié)作關(guān)鍵技術(shù)研究[D];吉林大學(xué);2018年

7 張宇飛;瀝青混凝土路面壓電微能量收集技術(shù)研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2018年

8 王海琨;面向懸索的新型電磁式能量收集裝置研究[D];西南交通大學(xué);2018年

9 王昆鵬;一種面向人體應(yīng)用的熱電能量收集系統(tǒng)的研究[D];廈門大學(xué);2017年

10 張樹青;固定方位式海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)能量收集裝置的設(shè)計(jì)與研究[D];浙江大學(xué);2018年

本文編號(hào)：2859465