【摘要】：隨著智慧城市、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新興業(yè)務(wù)和應(yīng)用的不斷涌現(xiàn),物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將成為5G發(fā)展的兩大主要驅(qū)動(dòng)力。為解決物聯(lián)網(wǎng)的能量短缺問(wèn)題,無(wú)線射頻能量傳輸可以為能量受限的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。由于無(wú)線電磁波可以同時(shí)承載電磁能和信息,無(wú)線射頻信號(hào)還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)能量與信息的同時(shí)傳輸(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)。如何設(shè)計(jì)合理的傳輸策略達(dá)到SWIPT網(wǎng)絡(luò)中速率與能量的折中是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。此外,為應(yīng)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量激增問(wèn)題,無(wú)線邊緣緩存技術(shù)可以在業(yè)務(wù)低峰期提前將熱門文件存儲(chǔ)在基站(Base Station,BS)或用戶終端,這樣在業(yè)務(wù)高峰期,用戶請(qǐng)求的文件可以直接從鄰近用戶或基站處獲取,從而有效緩解回程鏈路的負(fù)載,降低用戶獲取文件的時(shí)延,提升用戶體驗(yàn)(Quality of Experience,QoE)。如何充分利用有限的存儲(chǔ)空間設(shè)計(jì)高效的緩存策略和相應(yīng)的文件傳輸策略是無(wú)線邊緣網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題。因此,本文主要研究了面向5G通信的SWIPT網(wǎng)絡(luò)的傳輸策略設(shè)計(jì)以及無(wú)線邊緣緩存網(wǎng)絡(luò)的緩存放置和文件傳輸策略問(wèn)題。具體研究?jī)?nèi)容和主要貢獻(xiàn)如下:1、基于發(fā)送端能量傳輸?shù)臄y能網(wǎng)絡(luò)中傳輸策略優(yōu)化針對(duì)SWIPT網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線能量的傳輸引起的無(wú)線通信速率下降問(wèn)題,本文研究了基于譜效提升技術(shù)全雙工(Full Duplex,FD)和協(xié)作非正交(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)的發(fā)端SWIPT網(wǎng)絡(luò)的傳輸策略優(yōu)化問(wèn)題。首先,在FD-SWIPT場(chǎng)景中,得益于FD技術(shù)的同收同發(fā),FD-BS發(fā)送的人工噪聲(Artificial Noise,AN)可以同時(shí)阻止空閑用戶竊聽(tīng)上下行鏈路的信息。本文以最大化上下行安全速率加權(quán)和為目標(biāo),在保障空閑用戶最小能量采集量前提下,設(shè)計(jì)了FD-BS的收發(fā)端策略。其次,在協(xié)作NOMA-SWIPT場(chǎng)景中,SWIPT技術(shù)的引入可以激勵(lì)能量受限的強(qiáng)用戶中繼弱用戶的信號(hào)以滿足弱用戶的最小速率需求。在保障弱用戶最小速率約束下,通過(guò)聯(lián)合設(shè)計(jì)發(fā)送端的預(yù)編碼、強(qiáng)用戶的接收向量以及功率分配因子來(lái)最大化強(qiáng)用戶的速率。2、基于目的端能量傳輸?shù)臄y能網(wǎng)絡(luò)中傳輸策略優(yōu)化針對(duì)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送端對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)能量供給不足的問(wèn)題,本文提出了基于目的端輔助的能量傳輸方案,并優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)中的傳輸策略。首先,在3節(jié)點(diǎn)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中,目的節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送無(wú)線能量來(lái)增強(qiáng)中繼節(jié)點(diǎn)的能量采集。通過(guò)優(yōu)化發(fā)端預(yù)編碼、中繼處理矩陣以及接收向量,在保障源節(jié)點(diǎn)最小速率需求下最大化中繼節(jié)點(diǎn)的速率。其次,在4詩(shī)點(diǎn)認(rèn)知協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中,認(rèn)知接收端和主用戶接收端向認(rèn)知中繼用戶傳輸無(wú)線電磁能。在保障主用戶最小速率需求下,通過(guò)優(yōu)化認(rèn)知中繼用戶的中繼處理矩陣,認(rèn)知預(yù)編碼和功率分流因子來(lái)最大化認(rèn)知用戶的速率。當(dāng)信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)完美已知時(shí),設(shè)計(jì)了最優(yōu)預(yù)編碼方案以及低復(fù)雜度的次優(yōu)預(yù)編碼方案。當(dāng)CSI非完美時(shí),設(shè)計(jì)了魯棒性預(yù)編碼方案。3、基站緩存網(wǎng)絡(luò)中基于QoE驅(qū)動(dòng)的緩存與傳輸策略優(yōu)化針對(duì)面向視頻業(yè)務(wù)的無(wú)線邊緣緩存網(wǎng)絡(luò)以服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)為評(píng)價(jià)指標(biāo)的問(wèn)題和緩存策略更新頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于文件傳輸策略的事實(shí),本文以最大化所有用戶QoE加權(quán)和為目標(biāo),將基站的緩存放置策略和文件傳輸策略建模為一個(gè)混合時(shí)間跨度問(wèn)題進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。為求解該混合時(shí)間跨度問(wèn)題,本文將其解耦為兩個(gè)子問(wèn)題:長(zhǎng)期緩存策略優(yōu)化問(wèn)題和短期傳輸策略優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)于緩存策略優(yōu)化問(wèn)題,根據(jù)文件流行度和信道統(tǒng)計(jì)信息,分別設(shè)計(jì)了集中式和分布式緩存策略。對(duì)于傳輸策略優(yōu)化問(wèn)題,在給定緩存策略的基礎(chǔ)上,通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化多個(gè)基站的多播預(yù)編碼來(lái)最大化用戶的QoE加權(quán)和。4、D2D緩存網(wǎng)絡(luò)中基于用戶移動(dòng)性感知的緩存策略優(yōu)化針對(duì)相關(guān)工作忽略了 D2D緩存網(wǎng)絡(luò)中特有的用戶終端緩存空間租賃成本和重要性能指標(biāo)文件獲取時(shí)延的問(wèn)題,本文以最小化平均傳輸成本和平均緩存租賃成本為目標(biāo),在文件平均時(shí)延約束下,設(shè)計(jì)了 D2D網(wǎng)絡(luò)中基于用戶移動(dòng)性感知的緩存策略。首先,基于間隔接觸的用戶移動(dòng)性模型,推導(dǎo)了平均傳輸成本、平均緩存租賃成本和文件平均時(shí)延,并建立了相應(yīng)的緩存策略優(yōu)化問(wèn)題。而后,分別研究了文件在一次用戶接觸內(nèi)可以全部傳完的特殊情形和文件需要多次用戶接觸才能傳完的一般情形下的緩存策略。對(duì)于特殊情形,提出了基于凸優(yōu)化理論的緩存放置策略。對(duì)于一般情形,提出了基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的緩存放置策略和基于改進(jìn)貪婪算法的低復(fù)雜度緩存放置策略。
【圖文】：

統(tǒng)性能的一個(gè)理論分析上界。新加坡國(guó)立大學(xué)的Ｒｕｉ邋Ｚｈａｎｇ教授等人在文獻(xiàn)［５］中提逡逑出了兩種實(shí)際可行的ＳＷＩＰＴ接收架構(gòu)：基于時(shí)隙切換（Ｔｉｍｅ邋Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，邋ＴＳ）的接逡逑收架構(gòu)和基于功率分流（Ｐｏｗｅｒ邋Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ，ＰＳ）的接收架構(gòu)，如圖１－１所示。逡逑ＪＹ邐，邐邋Ｅｎｅｒｇｙ逡逑ｉ邐ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ逡逑＊—＾邋邐逡逑邐邋＼邋ａｊ邐Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ逡逑Ｎｏｉｓｅ邐ｄｅｃｏｄｉｎｇ逡逑ａ．邋ＴＳ接收機(jī)架構(gòu)逡逑Ｙ邐Ｔ邐，，邐邋Ｅｎｅｒｇｙ￣逡逑Ｉ邐ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ逡逑Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ邋—邐＇—（》■＿〈邐邐逡逑邐Ｉ邐／ｔｎ邐Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ逡逑Ｎｏｉｓｅ邐￣＾邐ｄｅｃｏｄｉｎｇ逡逑Ｐｒｏｃｅｓｓｎｇ邋ｎｏｉｓｅ逡逑ｂ．邋ＰＳ接收機(jī)架構(gòu)逡逑圖１－１：邋ＳＷＩＰＴ接收機(jī)架構(gòu)逡逑？基于ＴＳ的接收架構(gòu)是指接收端的ＥＨ模式和ＩＤ模式在不同時(shí)隙間交替切換。逡逑在一個(gè)時(shí)間周期Ｔ內(nèi)，接收端的信號(hào)在ａＴ時(shí)間內(nèi)進(jìn)行ＩＤ，在剩余（ｌ－ａ）Ｔ逡逑時(shí)間內(nèi)進(jìn)行ＥＨ。逡逑？基于ＰＳ的接收架構(gòu)是指接收端將收到的信號(hào)按功率比例因子ｐ分成兩個(gè)流，，逡逑其中，功率比例為ｐ的信息流用于ＩＤ，功率比例為１邋－邋ｐ的信息流用于ＥＨ。逡逑－３－逡逑

圖１－２：邋ＳＷＩＰＴ繼接收協(xié)議逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN929.5

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本文編號(hào)：2631904