【摘要】：隨著通信技術(shù)的不斷演進(jìn),綠色通信和萬(wàn)物互聯(lián)成為了未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要趨勢(shì)。能量收集通信系統(tǒng)能夠通過(guò)收集來(lái)自于外界環(huán)境的多種形式的能量來(lái)支持自身的數(shù)據(jù)傳輸,具有能量來(lái)源豐富、減少對(duì)自然界碳排放和增強(qiáng)設(shè)備部署靈活性等優(yōu)點(diǎn),因此,能量收集通信系統(tǒng)在未來(lái)綠色通信和萬(wàn)物互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中將發(fā)揮重要作用。隨機(jī)的能量收集過(guò)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(diǎn),這些特點(diǎn)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(guò)程中無(wú)法回避的問(wèn)題。隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算作為被學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可的性能分析工具,在這個(gè)問(wèn)題的解答上具有很大的潛力。本文以解答這個(gè)問(wèn)題為動(dòng)機(jī),利用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算理論對(duì)能量收集通信系統(tǒng)的性能展開(kāi)研究,期望能夠?yàn)檫@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?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)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(gè)大類,可應(yīng)用于太陽(yáng)能基站、風(fēng)能基站等大型通信節(jié)點(diǎn)。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(guò)并聯(lián)服務(wù)器模型進(jìn)行刻畫(huà)。為了能夠研究這類系統(tǒng)的性能,本部分首先將隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算理論推廣到并聯(lián)服務(wù)器場(chǎng)景,在不同情況下,分別推導(dǎo)得到了三組用于刻畫(huà)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(dá)特性進(jìn)一步分析了業(yè)務(wù)的排隊(duì)時(shí)延分布和平均時(shí)延性能,最后通過(guò)在M/M/N系統(tǒng)中與基于排隊(duì)論的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性。值得一提的是,目前隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算尚無(wú)關(guān)于并聯(lián)服務(wù)器場(chǎng)景的研究結(jié)論,本部分研究通過(guò)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(dá)特性等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響,完善了隨機(jī)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(duì)時(shí)延分布。進(jìn)一步在瑞利信道場(chǎng)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(duì)時(shí)延和電池容量共同約束的指定業(yè)務(wù)吞吐率,最后通過(guò)仿真的方法驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明,數(shù)據(jù)包長(zhǎng)、能量塊尺寸、不同信道服務(wù)過(guò)程之間的相關(guān)性等參數(shù)均能對(duì)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(chǎng)景相比,本部分研究重點(diǎn)關(guān)注多業(yè)務(wù)、多信道場(chǎng)景,通過(guò)綜合考慮多業(yè)務(wù)到達(dá)過(guò)程、多信道服務(wù)過(guò)程、能量消耗過(guò)程以及能量收集過(guò)程的隨機(jī)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(wú)線充電通信系統(tǒng)的性能。無(wú)線充電通信系統(tǒng)是能量收集通信系統(tǒng)的另一個(gè)大類,主要應(yīng)用場(chǎng)景為傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)。本部分重點(diǎn)關(guān)注端到端場(chǎng)景,根據(jù)無(wú)線充電通信系統(tǒng)上下行鏈路在每個(gè)周期都存在非數(shù)據(jù)傳輸階段的特點(diǎn),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(shí)延的上邊界分布,其中一組邊界準(zhǔn)確度高,但需要較高的計(jì)算復(fù)雜度;另一組邊界得到的分析結(jié)果簡(jiǎn)單,但相對(duì)保守。進(jìn)一步,以業(yè)務(wù)時(shí)延為約束條件,研究了業(yè)務(wù)的吞吐率性能。最后,通過(guò)仿真的方法驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性,分析結(jié)果表明系統(tǒng)性能與系統(tǒng)傳輸塊長(zhǎng)度、系統(tǒng)時(shí)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(shí)延對(duì)業(yè)務(wù)吞吐率的影響,提出了一種適用于無(wú)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(shí)獲得的時(shí)延和吞吐率性能,對(duì)時(shí)延敏感的無(wú)線充電通信系統(tǒng)的性能保障提出了新的理論見(jiàn)解。(4)研究多用戶無(wú)線充電通信系統(tǒng)的性能。本部分將無(wú)線充電通信系統(tǒng)由端到端場(chǎng)景擴(kuò)展到多用戶場(chǎng)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(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)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(shí)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(diǎn)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(gè)用戶都能同時(shí)達(dá)到的最大業(yè)務(wù)吞吐率以及實(shí)現(xiàn)這一保證的最優(yōu)系統(tǒng)時(shí)間分配策略。值得一提的是,無(wú)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(bǔ)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(duì)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(wú)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(chǔ)隊(duì)列（即電池），數(shù)據(jù)緩存隊(duì)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(lái)自外界環(huán)境中的能量，這些能量既可以是太陽(yáng)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(wú)線能量，系統(tǒng)將收集到逡逑的能量轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在電池當(dāng)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：逡逑１）能量來(lái)源豐富，可以說(shuō)是取之不盡用之不竭；逡逑２）保護(hù)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(duì)自逡逑然環(huán)境的碳排放；逡逑３）部署靈活，對(duì)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(zhǎng)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(hù)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(lái)逡逑ＥＨＣＳ受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注。以能量來(lái)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(xiàn)為［５７］。文獻(xiàn)［５７］在ＷＰＣＳ領(lǐng)域最先研究了多用戶場(chǎng)景下系統(tǒng)吞逡逑吐率與系統(tǒng)時(shí)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(lái)自基站的下行ＲＦ信號(hào)所攜帶的能量來(lái)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(duì)用戶進(jìn)行無(wú)線充電并調(diào)度用逡逑戶傳輸數(shù)據(jù)。基于上述系統(tǒng)，文獻(xiàn)［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(duì)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(xiàn)［５７］進(jìn)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(shí)獲得的上行吞吐率為指標(biāo)，提出了兩逡逑個(gè)關(guān)于最大化吞吐率的優(yōu)化問(wèn)題，并最終分別得到了相應(yīng)的最優(yōu)系統(tǒng)時(shí)間分配算逡逑法。值得一提的是，文獻(xiàn)［５７］的分析表明了在ＷＰＣＳ中采用相同的基站或者接入逡逑點(diǎn)對(duì)用戶進(jìn)行無(wú)線充電和接收用戶發(fā)送的上行數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生雙倍遠(yuǎn)近（Ｄｏｕｂｌｙ逡逑Ｎｅａｒ－Ｆａｒ）效應(yīng)

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本文編號(hào)：2716761