【摘要】：信息通信技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展使得智能終端得到了快速普及,這也帶來了移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長,移動網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備能量消耗的增加已經(jīng)成為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要限制因素。第五代移動通信提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)來提升能量的利用率和傳輸效率。在能量利用方面,捕獲周圍環(huán)境中的能量可以實(shí)現(xiàn)用戶終端的能量存儲。然而,怎樣合理的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)用戶終端的數(shù)據(jù)傳輸、盡可能多的能量存儲是一個(gè)需要解決的問題。在能量傳輸效率方面,其一,基站沒有用戶關(guān)聯(lián)時(shí)保持開啟狀態(tài)會帶來能耗和網(wǎng)絡(luò)中干擾的增加,基站資源調(diào)度不合理會帶來用戶之間公平性的問題。因此基站和用戶之間的關(guān)聯(lián)以及基站資源的調(diào)度對網(wǎng)絡(luò)能源效率帶來怎樣的影響是一個(gè)值得研究的問題。其二,密集小區(qū)的部署帶來了小區(qū)之間的嚴(yán)重干擾,因此密集小區(qū)中怎樣協(xié)調(diào)小基站為用戶服務(wù)和怎樣分配小基站的傳輸功率來降低干擾并提升網(wǎng)絡(luò)能源效率是一個(gè)需要解決的問題;其三,中繼能量受限的物聯(lián)網(wǎng)場景中,怎樣利用中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助源節(jié)點(diǎn)完成信息的傳輸是一個(gè)備受關(guān)注的問題。鑒于以上原因,本文致力于研究無線網(wǎng)絡(luò)中能量利用和傳輸效率問題。本文主要的創(chuàng)新點(diǎn)概括如下:1.針對用戶終端能量受限的密集小區(qū)場景,提出了有流行度緩存方案的無線射頻能量捕獲方法,適用于連接充電器不方便的手機(jī)等用戶終端。該方法以同時(shí)進(jìn)行無線信息和能量傳輸(SWIPT,simultaneous wireless information and power transfer)的系統(tǒng)為基礎(chǔ),通過小基站的緩存策略降低了用戶終端獲取內(nèi)容的延時(shí),提升了用戶終端捕獲的能量并且降低了核心網(wǎng)到小基站回程鏈路的資源和能量消耗。首先,在系統(tǒng)建模過程中給出了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模型,內(nèi)容請求和流行度緩存方案。其次,設(shè)計(jì)了基于流行度緩存的用戶關(guān)聯(lián)方案、資源分配策略,進(jìn)一步建立了有流行度緩存方案的SWIPT系統(tǒng)能量捕獲最大化問題,這里考慮了小基站的傳輸功率限制、用戶的最小速率(服務(wù)質(zhì)量)需求和SWIPT系統(tǒng)的功率分離比。最后,采用迭代功率分離比和功率分配優(yōu)化(IPSPA,iterative power splitting ratio and power allocation optimization)算法來求解構(gòu)建的問題。此外,在仿真中通過將提出的流行度緩存方案與均勻緩存方案和沒有緩存的方案進(jìn)行對比,驗(yàn)證了所提方法可以使得用戶終端捕獲更多的能量、節(jié)約更多的核心網(wǎng)到小基站回程鏈路的資源和能量消耗。而且,討論了此方法可以延伸到小基站協(xié)作為用戶服務(wù)以及混合能量供給問題的研究。2.針對單個(gè)宏基站和多個(gè)小基站組成的兩層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景,聯(lián)合的用戶關(guān)聯(lián)和資源調(diào)度是一個(gè)非確定性多項(xiàng)式(NP,non-deterministic polynomial)難問題,本文提出了有小基站休眠模式的連續(xù)用戶關(guān)聯(lián)和資源調(diào)度算法,來分析兩層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能源效率。首先,根據(jù)三種用戶關(guān)聯(lián)算法確定宏基站和小基站與用戶之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,在此過程中沒有用戶關(guān)聯(lián)的小基站將進(jìn)入休眠模式來節(jié)約能量和降低網(wǎng)絡(luò)中的干擾。其次,根據(jù)三種用戶調(diào)度算法確定了宏基站和小基站的資源調(diào)度情況,在資源調(diào)度過程中對用戶之間的公平性進(jìn)行了討論。最后,在仿真部分,給出了不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下合理算法選擇的分析和討論。此外,討論了此問題可以拓展到多個(gè)宏基站和多個(gè)小基站的場景。3.針對密集小區(qū)及中繼能量受限的物聯(lián)網(wǎng)(IoT,Internet of things)場景,傳統(tǒng)的方法沒有考慮小基站之間的動態(tài)協(xié)作和有線性網(wǎng)絡(luò)編碼方案的全雙工中繼協(xié)作傳輸?shù)膯栴}。一方面,提出了動態(tài)協(xié)作多點(diǎn)聯(lián)合傳輸(CoMP-JT,coordinated multi-point joint transmission)方法來提升密集小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)能源效率。其中,首先構(gòu)建了聯(lián)合用戶關(guān)聯(lián)和功率分配的能源效率最大化問題。其次,采用動態(tài)CoMP-JT用戶關(guān)聯(lián)算法和動態(tài)CoMP-JT功率分配優(yōu)化算法求解建立的問題。仿真結(jié)果表明,與次近的協(xié)作多點(diǎn)(CoMP,coordinated multi-point)傳輸、沒有CoMP傳輸和隨機(jī)的CoMP傳輸方法相比,動態(tài)CoMP-JT方法能較好的提升網(wǎng)絡(luò)的能源效率。另一方面,提出了全雙工中繼協(xié)作傳輸方法來提升中繼能量受限IoT的頻譜效率。其中,首先建立了基于功率分離的全雙工解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼SWIPT系統(tǒng)模型和頻譜效率最大化問題。接著,提出了在目的節(jié)點(diǎn)處應(yīng)用線性網(wǎng)絡(luò)編碼和最大比合并解碼方案來解碼目的節(jié)點(diǎn)接收的信息。最后,采用迭代功率分離比算法求解建立的問題。仿真結(jié)果表明,與有直連鏈路存在的半雙工解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼和不考慮直連鏈路的全雙工解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼方法相比,提出的全雙工中繼協(xié)作傳輸方法,可以較好的提升系統(tǒng)的頻譜效率。此外,討論了此研究內(nèi)容可以進(jìn)一步拓展到多天線、新型多址接入技術(shù)、多中繼以及大規(guī)模IoT等問題的研究。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.5

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