【摘要】：隨著通信技術(shù)的不斷演進,綠色通信和萬物互聯(lián)成為了未來通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要趨勢。能量收集通信系統(tǒng)能夠通過收集來自于外界環(huán)境的多種形式的能量來支持自身的數(shù)據(jù)傳輸,具有能量來源豐富、減少對自然界碳排放和增強設(shè)備部署靈活性等優(yōu)點,因此,能量收集通信系統(tǒng)在未來綠色通信和萬物互聯(lián)的實現(xiàn)過程中將發(fā)揮重要作用。隨機的能量收集過程和有限的能量收集量是能量收集通信系統(tǒng)的基本特點,這些特點決定了這類系統(tǒng)的服務(wù)特性與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比更加復(fù)雜多變。所以,“系統(tǒng)能夠保證多好的服務(wù)質(zhì)量或獲得多大的業(yè)務(wù)吞吐率”是能量收集通信系統(tǒng)在應(yīng)用過程中無法回避的問題。隨機網(wǎng)絡(luò)演算作為被學(xué)術(shù)界廣泛認可的性能分析工具,在這個問題的解答上具有很大的潛力。本文以解答這個問題為動機,利用隨機網(wǎng)絡(luò)演算理論對能量收集通信系統(tǒng)的性能展開研究,期望能夠為這類系統(tǒng)的參數(shù)配置和業(yè)務(wù)接入控制提供理論支撐。本文的主要研究內(nèi)容和貢獻如下:(1)研究關(guān)于并聯(lián)服務(wù)器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)演算理論�；诳稍偕芰渴占耐ㄐ畔到y(tǒng)是能量收集通信系統(tǒng)的一個大類,可應(yīng)用于太陽能基站、風(fēng)能基站等大型通信節(jié)點。這類系統(tǒng)能夠利用多條信道并行傳輸數(shù)據(jù),其服務(wù)特性可通過并聯(lián)服務(wù)器模型進行刻畫。為了能夠研究這類系統(tǒng)的性能,本部分首先將隨機網(wǎng)絡(luò)演算理論推廣到并聯(lián)服務(wù)器場景,在不同情況下,分別推導(dǎo)得到了三組用于刻畫系統(tǒng)整體服務(wù)特性的系統(tǒng)服務(wù)曲線,并聯(lián)合業(yè)務(wù)的到達特性進一步分析了業(yè)務(wù)的排隊時延分布和平均時延性能,最后通過在M/M/N系統(tǒng)中與基于排隊論的分析結(jié)果進行對比,驗證了分析的準確性。值得一提的是,目前隨機網(wǎng)絡(luò)演算尚無關(guān)于并聯(lián)服務(wù)器場景的研究結(jié)論,本部分研究通過構(gòu)建適用于并聯(lián)服務(wù)器系統(tǒng)性能分析的通用研究框架,揭示了服務(wù)器數(shù)量、業(yè)務(wù)到達特性等因素對系統(tǒng)性能的影響,完善了隨機網(wǎng)絡(luò)演算的基礎(chǔ)理論。(2)研究基于可再生能量收集的通信系統(tǒng)的性能。本部分首先研究了系統(tǒng)能量耗盡概率與電池容量之間的關(guān)系。接著,根據(jù)典型的業(yè)務(wù)調(diào)度策略,以電池容量為約束條件,研究了指定業(yè)務(wù)的排隊時延分布。進一步在瑞利信道場景下,利用本文關(guān)于并聯(lián)服務(wù)器系統(tǒng)的結(jié)論分別研究了系統(tǒng)的服務(wù)特性以及基于排隊時延和電池容量共同約束的指定業(yè)務(wù)吞吐率,最后通過仿真的方法驗證了分析的準確性。研究結(jié)果表明,數(shù)據(jù)包長、能量塊尺寸、不同信道服務(wù)過程之間的相關(guān)性等參數(shù)均能對業(yè)務(wù)的吞吐率性能產(chǎn)生影響。與已有的相關(guān)研究主要關(guān)注單業(yè)務(wù)、單信道場景相比,本部分研究重點關(guān)注多業(yè)務(wù)、多信道場景,通過綜合考慮多業(yè)務(wù)到達過程、多信道服務(wù)過程、能量消耗過程以及能量收集過程的隨機特性以及業(yè)務(wù)的調(diào)度策略,構(gòu)建了適用于基于可再生能量收集的通信系統(tǒng)性能研究的通用框架,揭示了這類系統(tǒng)的能量收集速率與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。(3)研究端到端無線充電通信系統(tǒng)的性能。無線充電通信系統(tǒng)是能量收集通信系統(tǒng)的另一個大類,主要應(yīng)用場景為傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)。本部分重點關(guān)注端到端場景,根據(jù)無線充電通信系統(tǒng)上下行鏈路在每個周期都存在非數(shù)據(jù)傳輸階段的特點,分析了上下行鏈路的服務(wù)特性。然后,推導(dǎo)得到了兩組關(guān)于業(yè)務(wù)時延的上邊界分布,其中一組邊界準確度高,但需要較高的計算復(fù)雜度;另一組邊界得到的分析結(jié)果簡單,但相對保守。進一步,以業(yè)務(wù)時延為約束條件,研究了業(yè)務(wù)的吞吐率性能。最后,通過仿真的方法驗證了分析的準確性,分析結(jié)果表明系統(tǒng)性能與系統(tǒng)傳輸塊長度、系統(tǒng)時間分配策略和用戶電池容量均密切相關(guān)。與已有的相關(guān)研究相比,本部分研究考慮了業(yè)務(wù)時延對業(yè)務(wù)吞吐率的影響,提出了一種適用于無線充電通信系統(tǒng)性能研究的分析方法,研究了上下行業(yè)務(wù)能夠同時獲得的時延和吞吐率性能,對時延敏感的無線充電通信系統(tǒng)的性能保障提出了新的理論見解。(4)研究多用戶無線充電通信系統(tǒng)的性能。本部分將無線充電通信系統(tǒng)由端到端場景擴展到多用戶場景,在數(shù)據(jù)緩存容量有限的條件下,研究了系統(tǒng)中各個節(jié)點的緩存隊列溢出概率以及基于緩存約束的業(yè)務(wù)吞吐率性能。此外,為了同時滿足業(yè)務(wù)吞吐率和數(shù)據(jù)緩存約束的要求,研究了接入點下行發(fā)送功率和用戶電池容量的配置策略。最后,本文還研究了系統(tǒng)保證每個用戶都能同時達到的最大業(yè)務(wù)吞吐率以及實現(xiàn)這一保證的最優(yōu)系統(tǒng)時間分配策略。值得一提的是,無線充電通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)積壓性能在學(xué)術(shù)界尚未得到充分研究,本部分研究彌補了已有研究的不足。此外,與已有的相關(guān)研究所提出的資源分配策略相比,本部分提出的資源分配策略考慮了數(shù)據(jù)緩存約束對業(yè)務(wù)吞吐率性能的影響,因此更加適用于數(shù)據(jù)緩存容量有限的無線充電通信系統(tǒng)。
【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】：2018
【分類號】：TN929.5
【圖文】：

統(tǒng)（Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＥＨＣＳ），如圖邋１邋－１邋所示，系統(tǒng)由能量逡逑存儲隊列（即電池），數(shù)據(jù)緩存隊列，數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端組成。ＥＨＣＳ利用能量逡逑收集技術(shù)收集來自外界環(huán)境中的能量，這些能量既可以是太陽能、風(fēng)能等可再生逡逑能源，也可以是射頻（Ｒａｄｉ0Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＲＦ）能量、磁能等無線能量，系統(tǒng)將收集到逡逑的能量轉(zhuǎn)化為電能存儲在電池當中，便可以用于數(shù)據(jù)的收發(fā)。逡逑利用能量收集技術(shù)替代傳統(tǒng)電能具有如下３個主要優(yōu)點：逡逑１）能量來源豐富，可以說是取之不盡用之不竭；逡逑２）保護資源和環(huán)境，減少了煤炭燃料等不可再生資源的消耗，減少了對自逡逑然環(huán)境的碳排放；逡逑３）部署靈活，對部署在復(fù)雜艱辛、不易更換電池環(huán)境中的設(shè)備使用能量收逡逑集技術(shù)，可以延長設(shè)備的使用壽命，避免頻繁地更換電池，從而降低了逡逑設(shè)備的維護成本。逡逑由于能量收集技術(shù)在解決挑戰(zhàn)１和挑戰(zhàn)２中表現(xiàn)出巨大的潛力，近年來逡逑ＥＨＣＳ受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注。以能量來源作為分類依據(jù)，ＥＨＣＳ可分為逡逑

關(guān)于ＷＰＣＳ上行鏈路的研宄主要關(guān)注業(yè)務(wù)吞吐率和資源配置策略，其中最逡逑具代表性的文獻為［５７］。文獻［５７］在ＷＰＣＳ領(lǐng)域最先研究了多用戶場景下系統(tǒng)吞逡逑吐率與系統(tǒng)時間分配策略之間的關(guān)系�？紤]如圖１－２所示的單信道、單天線，半逡逑雙工的ＷＰＣＳ，系統(tǒng)中的設(shè)備均靠收集來自基站的下行ＲＦ信號所攜帶的能量來逡逑傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用先收集能量后傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議對用戶進行無線充電并調(diào)度用逡逑戶傳輸數(shù)據(jù)�；谏鲜鱿到y(tǒng)，文獻［５７］建立了用戶的能量收集模型，并根據(jù)盡力逡逑而為（Ｂｅｓｔ邋Ｅｆｆｏｒｔ）的功率配置原則對基站發(fā)送上行數(shù)據(jù)。由于不同用戶距離基站的逡逑位置不同，用戶所收集到的能量在數(shù)量上也因此存在差異，文獻［５７］進一步分別逡逑以系統(tǒng)總的上行吞吐率和所有用戶能夠同時獲得的上行吞吐率為指標，提出了兩逡逑個關(guān)于最大化吞吐率的優(yōu)化問題，并最終分別得到了相應(yīng)的最優(yōu)系統(tǒng)時間分配算逡逑法。值得一提的是，文獻［５７］的分析表明了在ＷＰＣＳ中采用相同的基站或者接入逡逑點對用戶進行無線充電和接收用戶發(fā)送的上行數(shù)據(jù)會產(chǎn)生雙倍遠近（Ｄｏｕｂｌｙ逡逑Ｎｅａｒ－Ｆａｒ）效應(yīng)

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本文編號：2716761