【摘要】：隨著5G移動通信關(guān)鍵性標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的高速發(fā)展,能量消耗問題在迅速發(fā)展的無線通信技術(shù)中成為了一個亟待解決的關(guān)鍵問題。無線能量傳輸作為一種為無線網(wǎng)絡(luò)提供方便、永久性能源的新的解決方案,被認(rèn)為是一項非常有前景的可以實現(xiàn)在傳統(tǒng)能量受限系統(tǒng)中進(jìn)行永久能量傳輸?shù)募夹g(shù),具有節(jié)能環(huán)保的重大意義。本論文提出一系列5G環(huán)境需求下的無線能量傳輸系統(tǒng),結(jié)合全雙工技術(shù)、中繼技術(shù)以及多輸入多輸出建模技術(shù),通過凸優(yōu)化相關(guān)理論對收發(fā)機進(jìn)行傳統(tǒng)波束賦形以及磁波束賦形設(shè)計,從而提高長距離充能和中距離充能系統(tǒng)的能量傳輸效率并擴展無線通信系統(tǒng)容量。本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:一、全雙工目標(biāo)節(jié)點攜能中繼系統(tǒng)提出全雙工通信模式和無線攜能技術(shù)結(jié)合的MIMO放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng),在目標(biāo)節(jié)點配置了功率分配接收機,在真正意義上實現(xiàn)了信息和能量的同時同頻不間斷傳輸。建立完美信道估計信息下的均方誤差最小化問題,以對發(fā)射節(jié)點和中繼的發(fā)射波束賦形矩陣及接收節(jié)點的解碼矩陣進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計。引入循環(huán)迭代思想將原問題解耦合,并通過連續(xù)凸近似思想解決子問題,并提出一種新的基于信道并行化和奇異值分解理論的低復(fù)雜度算法。通過仿真比較不同算法下的系統(tǒng)最小均方誤差和誤碼率,驗證了理論分析的有效性。主要創(chuàng)新點:針對全雙工無線攜能中繼系統(tǒng)的時延問題及自干擾問題,提出解決方法,盡量降低全雙工的負(fù)面影響;提出基于連續(xù)凸近似的優(yōu)化算法,并針對算法復(fù)雜度過高的問題,提出基于信道并行化和特征值分解的算法,從而大大提高了算法性能。二、全雙工中繼攜能系統(tǒng)在考慮存在信道估計誤差的情況下提出中繼端配置了能量分配接收機的全雙工MIMO放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼攜能系統(tǒng),研究了中繼攜能系統(tǒng)的魯棒性。以平均均方誤差為基礎(chǔ),在保證發(fā)射節(jié)點和接收節(jié)點的發(fā)射功率約束和接收能量約束的前提下聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射節(jié)點、中繼節(jié)點以及接收節(jié)點的波束賦形矩陣。引用半定松弛的思想,將所建立的NP-hard問題通過可以證明為收斂的交替迭代算法解出。同時,針對源節(jié)點的波束賦形也給出了閉式解,以降低計算復(fù)雜度。最終討論了整個系統(tǒng)可以對抗信道不確定性的魯棒性。主要創(chuàng)新點:提出基于半定松弛的優(yōu)化算法,并證明了通過所提出的算法總是能得到一個最優(yōu)的解。提出閉式解算法來降低復(fù)雜度,并通過提出和證明有效定理解決了原非凸問題,從而提高系統(tǒng)魯棒性。三、半雙工雙向中繼攜能系統(tǒng)為了進(jìn)一步提高頻譜效率,本文提出半雙工工作模式下的雙向MIMO放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼無線攜能系統(tǒng),從而有效提高系統(tǒng)的頻譜效率和傳輸范圍。針對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提出了在保證發(fā)射功率約束和接收能量約束的前提下聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)節(jié)點和中繼節(jié)點的波束賦形矩陣,并提供一個基于廣義奇異值分解的交替優(yōu)化算法來解決這一問題。此外,為了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能,我們還提出了基于連續(xù)凸近似的迭代細(xì)化算法。最終,仿真結(jié)果顯示所提出的兩個算法可以實現(xiàn)令人滿意的均方誤差性能。主要創(chuàng)新點:通過將信道并行化算法引入復(fù)雜的雙向中繼系統(tǒng)分析,使雙向中繼和多跳中繼帶來的高維度矢量問題標(biāo)量化。與已有信道并行化算法不同,本研究直接把原問題化簡為線性凸問題,更加大大降低了算法的復(fù)雜度。四、2X2磁共振充電系統(tǒng)提出適用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域或可穿戴設(shè)備的2X2磁共振充電系統(tǒng),分析了傳輸電流相位差、接收線圈電阻以及發(fā)射線圈中的電流對功率傳輸效率的影響,然后通過同時優(yōu)化發(fā)射線圈電流的振幅和接收線圈電阻,使接收線圈的總功率最大化。通過MATLAB和COMSOL從不同方面對電場和磁場進(jìn)行仿真,數(shù)值結(jié)果表明所提出的系統(tǒng)和優(yōu)化算法可以有效提高中距離充電效率。主要創(chuàng)新點:通過同時調(diào)整發(fā)射線圈電流的振幅和接收線圈電阻,把射頻通信中的收發(fā)器波束賦形設(shè)計優(yōu)勢應(yīng)用到了磁共振耦合。所提出的算法基于迭代求解一系列幾何規(guī)劃問題,并在不需要對存在多自變量耦合的原問題進(jìn)行解耦合的情況下得到優(yōu)化解。
【圖文】：

式通信（Ｍａｃｈｉｎｅ邋Ｔｙｐｅ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＭＴＣ），以適應(yīng)更加靈活的網(wǎng)絡(luò)化社會逡逑信息［５］。根據(jù)預(yù)測，到２０２０年，，將有超過５００億臺聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，即每人６臺以上逡逑的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，其中不止包含人類通信，還包含機器通信。如圖１－１所示，５Ｇ除逡逑了支持已建立的杰出移動寬帶使用案例的發(fā)展外，還將支持大量新興的使用案例，逡逑這些案例具有多種應(yīng)用程序及其性能屬性的多樣性：從延遲敏感視頻應(yīng)用到超低逡逑延遲，從車輛中的氋速娛樂應(yīng)用到連接對象的按需移動，從盡最大努力的應(yīng)用到逡逑１逡逑

邐ＳＥＲＶＩＣＥＳ逡逑丨Wｌ邋７邋■逡逑圖１－１邋５Ｇ相關(guān)用例示例逡逑未來的愿景，是建立一個相互連接的社會，其中，傳感器、汽車、無人機、逡逑醫(yī)療和可穿戴設(shè)備都將通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)彼此連接，與人類終端用戶互動，從而提供逡逑一系列的創(chuàng)新服務(wù)，例如智能家居、智能城市、智能汽車以及遠(yuǎn)程手術(shù)等。顯然，逡逑為了保證可以順利服務(wù)于如此龐大數(shù)量的終端，比起現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，未來的網(wǎng)絡(luò)將不逡逑得不大幅增加可提供的容量。為了避免能源短缺，需要新的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和運行逡逑方法。集團特別移動協(xié)會（Ｇｒｏｕｐ邋Ｓｐｅｃｉａｌ邋Ｍｏｂｉｌｅ邋Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ＧＳＭＡ）及其合作逡逑伙伴承擔(dān)了塑造５Ｇ網(wǎng)絡(luò)的最終責(zé)任。綠色技術(shù)的發(fā)展和設(shè)各功耗的降低是工業(yè)逡逑界和學(xué)術(shù)界確定的５Ｇ系統(tǒng)的八項主要需求中的兩項。ＧＳＭＡ要求到２０２０年，逡逑每個連接的二氧化碳排放量明顯減少。這些基本事實導(dǎo)致了引入每焦耳能量效率逡逑的概念
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.5;TN859

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本文編號：2699237