發(fā)布時(shí)間：2020-03-25 11:51

【摘要】：隨著智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備的普及以及物聯(lián)網(wǎng)的逐漸成熟,人們的生活工作中涌現(xiàn)出越來(lái)越多的無(wú)線通信設(shè)備。由于這類設(shè)備的電池電量有限,無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)難以得到長(zhǎng)期穩(wěn)定的保障,甚至?xí)蛟O(shè)備電量耗盡但無(wú)法更換電池而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)失能。為此,學(xué)術(shù)界和工業(yè)界相繼提出了無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)(Wireless powered communication network,WPCN)的概念:采用基于射頻的無(wú)線能量傳輸技術(shù)為無(wú)線通信設(shè)備遠(yuǎn)距離補(bǔ)充電能。WPCN雖然擺脫了電池電量受限的困境,但也面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn),主要有:1)能量供需分布失衡,導(dǎo)致部分用戶能量不足而無(wú)法保障QoS,另一部分用戶能量過(guò)剩而造成浪費(fèi);2)高能量損耗,包括能量傳輸和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重傳播損耗,以及用戶捕獲能量時(shí)的射頻-直流轉(zhuǎn)換損耗;3)能量傳輸與數(shù)據(jù)傳輸對(duì)時(shí)間、頻譜和功率三種資源的需求存在差異,網(wǎng)絡(luò)QoS保障與節(jié)能是一對(duì)矛盾。本學(xué)位論文針對(duì)WPCN的主要應(yīng)用場(chǎng)景,研究應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的QoS保障和節(jié)能技術(shù)。針對(duì)面向時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的WPCN,研究基于多跳傳輸?shù)目鐚涌刂撇呗砸约坝脩粽{(diào)度方案。為應(yīng)對(duì)能量供需失衡所導(dǎo)致的高等待時(shí)延,提出自適應(yīng)捕獲再協(xié)作(Adaptive harvest-then-cooperate,AHC)協(xié)議:每個(gè)用戶先捕獲來(lái)自能量供給與信息收發(fā)混合接入點(diǎn)(Hybrid access point,HAP)的能量,再直接向HAP發(fā)送或由其它用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);HAP根據(jù)全網(wǎng)能量分布和數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載分布,做出由物理層發(fā)射功率和網(wǎng)絡(luò)層路由拓?fù)浣M成的決策。為避免中繼用戶的數(shù)據(jù)隊(duì)列因接收其它用戶數(shù)據(jù)而溢出,提出一種與AHC協(xié)議適配的調(diào)度方案。為降低平均等待時(shí)延,利用馬爾科夫決策過(guò)程(Markovdecisionprocess,MDP)構(gòu)建時(shí)延最小化決策問(wèn)題,并提出基于樣本路徑的低復(fù)雜度求解算法。仿真驗(yàn)證了所提協(xié)議和算法能通過(guò)多跳傳輸使能量的供需分布相對(duì)平衡,有效降低平均等待時(shí)延。設(shè)計(jì)反向散射傳輸WPCN,研究其多用戶QoS保障和節(jié)能技術(shù)。為降低能量損耗,在WPCN中應(yīng)用反向散射傳輸:被動(dòng)節(jié)點(diǎn)(Passive node,PN)通過(guò)錯(cuò)配天線阻抗,將數(shù)據(jù)調(diào)制在來(lái)自主動(dòng)節(jié)點(diǎn)(Active node,AN)的信號(hào)上,并以反射的方式將調(diào)制后的信號(hào)傳向接收節(jié)點(diǎn)(Receiver,Rx)。提出捕獲兼反射(Harvest-while-scatter,HWS)協(xié)議:AN持續(xù)發(fā)射單載波射頻信號(hào);多個(gè)PN先捕獲無(wú)線能量再依次將數(shù)據(jù)調(diào)制在該射頻信號(hào)上,并反射給Rx;每個(gè)PN利用其它PN反射的時(shí)間持續(xù)捕獲射頻能量,以降低專用于能量傳輸?shù)哪芎�。針�?duì)反向散射傳輸模式下PN無(wú)法發(fā)送導(dǎo)頻或反饋信道狀態(tài)信息(Channel state information,CSI)的難點(diǎn),提出一種與HWS協(xié)議適配且由AN、PN和Rx三點(diǎn)協(xié)作獲得統(tǒng)計(jì)CSI的信道估計(jì)方法。為在保障QoS的前提下降低總能耗,提出一種在僅有上述統(tǒng)計(jì)CSI條件下控制AN的傳輸功率并分配各PN反射時(shí)長(zhǎng)的能耗最小化魯棒算法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提協(xié)議和算法在QoS保障和節(jié)能方面的有效性,并揭示了節(jié)點(diǎn)相對(duì)位置對(duì)功率控制和時(shí)間分配的影響。針對(duì)穩(wěn)定供電和無(wú)線供電兩類用戶共存的混合供電通信網(wǎng)絡(luò),研究基于資源分配優(yōu)化和自適應(yīng)傳輸?shù)墓?jié)能方法。根據(jù)能量傳輸與數(shù)據(jù)傳輸對(duì)時(shí)頻資源的不同需求,提出將兩者分別安排在低頻窄帶和高頻寬帶上進(jìn)行的頻分傳輸模式。為應(yīng)對(duì)能量供需失衡,提出基于能量波束賦形的波束切換能量分發(fā)方法:HAP將能量波束依次指向各無(wú)線供電用戶,并通過(guò)控制能量傳輸功率和充電時(shí)長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)以高能量轉(zhuǎn)換率地為各無(wú)線供電用戶按需分發(fā)能量。為保障數(shù)據(jù)傳輸QoS并降低能耗,研究自適應(yīng)控制數(shù)據(jù)傳輸功率、能量傳輸功率和能量傳輸時(shí)長(zhǎng)的最優(yōu)決策問(wèn)題:建立包含實(shí)時(shí)CSI、能量分布和數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載分布的決策模型;在給定上下行時(shí)間分配的條件下,將該決策問(wèn)題拆解為數(shù)據(jù)傳輸和能量傳輸兩個(gè)子問(wèn)題;通過(guò)信道狀態(tài)離散化和MDP框架將這兩個(gè)子問(wèn)題分別轉(zhuǎn)換為易解的線性規(guī)劃問(wèn)題;提出對(duì)應(yīng)的求解算法。通過(guò)仿真驗(yàn)證了波束切換方案和所提算法的有效性,揭示了自適應(yīng)傳輸決策利用隊(duì)列緩存和信道分集實(shí)現(xiàn)節(jié)能的機(jī)理,即通過(guò)在信道條件良好時(shí)預(yù)存能量來(lái)降低平均總能耗。針對(duì)同一地域存在多類節(jié)點(diǎn),且同時(shí)支持多種任務(wù)的大規(guī)模異構(gòu)無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò),研究基于能量-服務(wù)交易的高能效眾包平臺(tái)。在該平臺(tái)上,用戶可提供能量作為報(bào)酬,雇傭其它用戶協(xié)助自己完成任務(wù),從而降低總能耗。提出以能量為交易媒介,為用戶維持賬戶并全程監(jiān)督上述交易的能量銀行。雇主用戶可從能量銀行取現(xiàn)并通過(guò)附近無(wú)線充電站(Powerbeacon)獲得充能,或通過(guò)無(wú)損記賬的方式向工人用戶轉(zhuǎn)賬。交易過(guò)程中,能量銀行要求雇主預(yù)付報(bào)酬并凍結(jié),在任務(wù)完成后再解凍并向工人轉(zhuǎn)賬。為驗(yàn)證交易可行,分析雇主的能量代價(jià)最小化決策和工人們的能量利潤(rùn)最大化決策,并證明它們的最優(yōu)決策構(gòu)成Stackelberg均衡。為示范所提平臺(tái)的應(yīng)用并量化所提機(jī)制的節(jié)能效果,將它們應(yīng)用于基于中繼的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中:在給定最低數(shù)據(jù)率的要求下,源節(jié)點(diǎn)雇傭中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助自己向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。針對(duì)該場(chǎng)景中的雇主能量代價(jià)最小化問(wèn)題,提出啟發(fā)式求解算法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提平臺(tái)能為雇主與工人帶來(lái)雙贏,并提高全網(wǎng)的能量利用率,還揭示了源節(jié)點(diǎn)對(duì)候選中繼節(jié)點(diǎn)位置的偏好。
【圖文】：

圖１．２無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸模式逡逑無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)必須配置時(shí)間、頻率、功率等資源來(lái)保證無(wú)線能量傳輸，既要為用逡逑戶的數(shù)據(jù)傳輸提供充足能量，又不應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)造成干擾。逡逑現(xiàn)有的無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)主要有兩種信息與能量同步無(wú)線傳輸模式：時(shí)間切換逡逑（Ｔｉｍｅｓｗｉｔｃｈ，邋ＴＳ）傳輸模式［９］和功率分割（Ｐｏｗｅｒｓｐｌｉｔ，邋ＰＳ）傳輸模式［２１］，如圖１．２所不。逡逑在ＴＳ模式中，能量傳輸與信息傳輸在互為正交的時(shí)間片段中分別執(zhí)行，從而避免能量傳輸逡逑對(duì)信息傳輸?shù)母蓴_。信息傳輸既可以是ＡＰ向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)（下行），也可以是用戶向ＡＰ發(fā)逡逑送數(shù)據(jù)（上行）。在ＰＳ模式中，ＡＰ用高功率向用戶下行發(fā)送信號(hào)，用戶利用功率分割器逡逑（功分器）將來(lái)自ＡＰ的信號(hào)分割為能量信號(hào)和信息信號(hào)，分別用于能量捕獲和信息解調(diào)；逡逑用戶的上行時(shí)間片段與ＡＰ的下行時(shí)間片段正交。其中，功分器是將一路輸入信號(hào)分成多逡逑路功率相等或不相等的輸出信號(hào)的射頻器件，其分割損耗一般為３？６邋ｄＢ［２２］。逡逑１．１．３無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)的適用場(chǎng)景逡逑

邐ｉ逡逑圖１．１無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)模式逡逑Ｉ邋（個(gè)）＋——邐邋ｉ邋？（個(gè)）：邋ｒ邋ｙ邐邋｜逡逑：Ａ邐￣￣｜邋ｉ邐Ａ邐｜＾Ｈ邋能量捕獲Ｆ１￣＾Ｔ｜｜邐ｊ逡逑：（ｊ邐＇￣￣？｜數(shù)據(jù)收發(fā)器卜一邋Ｍ邋ｉ邋ｉ邋（ｊ邐數(shù)據(jù)收ＨＴＶ池邋；逡逑；個(gè)功率邐ｉ！個(gè)功率邐ｉ逡逑！邋能量傳輸邋邐邋｜邋；邐二．．１邐邋＞逡逑■邐信息傳輸邋ｊ邋ｙ間ｉ邋ｉ邐信息傳輸１邋ｐ間！逡逑提炙邋邐邐邐邐邐邐邐ｊ邋ｉ．邋邐邐邐邐ｊ逡逑圖１．２無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸模式逡逑無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)必須配置時(shí)間、頻率、功率等資源來(lái)保證無(wú)線能量傳輸，既要為用逡逑戶的數(shù)據(jù)傳輸提供充足能量，又不應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)造成干擾。逡逑現(xiàn)有的無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)主要有兩種信息與能量同步無(wú)線傳輸模式：時(shí)間切換逡逑（Ｔｉｍｅｓｗｉｔｃｈ，，邋ＴＳ）傳輸模式［９］和功率分割（Ｐｏｗｅｒｓｐｌｉｔ，邋ＰＳ）傳輸模式［２１］，如圖１．２所不。逡逑在ＴＳ模式中，能量傳輸與信息傳輸在互為正交的時(shí)間片段中分別執(zhí)行，從而避免能量傳輸逡逑對(duì)信息傳輸?shù)母蓴_。信息傳輸既可以是ＡＰ向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)（下行），也可以是用戶向ＡＰ發(fā)逡逑送數(shù)據(jù)（上行）。在ＰＳ模式中，ＡＰ用高功率向用戶下行發(fā)送信號(hào)，用戶利用功率分割器逡逑（功分器）將來(lái)自ＡＰ的信號(hào)分割為能量信號(hào)和信息信號(hào)，分別用于能量捕獲和信息解調(diào)；逡逑用戶的上行時(shí)間片段與ＡＰ的下行時(shí)間片段正交。其中
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN92

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本文編號(hào)：2599865