物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡的快速發(fā)展,要求無線通信傳輸設計在考慮更廣覆蓋、更高速率的通信服務的同時,解決影響網(wǎng)絡生存時間的能源消耗問題�；谏漕l信息的無線能量收集技術是解決能量問題的一項關鍵技術,該技術能與無線信息傳輸結合,構建信息和能量同時傳輸?shù)耐ㄐ艡C制。中繼傳輸能擴大傳輸距離、提高傳輸可靠性,是滿足萬物互聯(lián)需求的一項核心技術,隨著用戶數(shù)量的劇增以及物聯(lián)網(wǎng)多形態(tài)傳輸?shù)陌l(fā)展,用戶之間的協(xié)作會成為常態(tài),因此,研究基于射頻能量收集的中繼網(wǎng)絡傳輸優(yōu)化對未來通信發(fā)展有著重要意義�；诖�,本文深入分析幾種典型雙向中繼網(wǎng)絡的信息能量同傳及優(yōu)化方案,開展了以下三個方面的研究工作:一、研究了雙向DF中繼網(wǎng)絡的信能同傳與優(yōu)化方案。針對采用PS能量收集和DF中繼轉發(fā)方式的雙向中繼網(wǎng)絡,首先基于有效性研究的驅使,建立以最大化系統(tǒng)可達傳輸總速率為目標的最優(yōu)功率分割比優(yōu)化問題,并提出一種最優(yōu)功率分割比優(yōu)化算法,得到滿足該優(yōu)化問題的最優(yōu)功率分割比的閉式解;然后基于可靠性研究的驅使,建立考慮傳輸總功率限制下的最小化系統(tǒng)中斷概率優(yōu)化問題,旨在聯(lián)合優(yōu)化源端功率分配和中繼功率分割比來提升中斷性能,由于參數(shù)之間存在耦合性導致難以直接求解該聯(lián)合優(yōu)化問題,提出一種兩步次優(yōu)求解算法,求解并得到最優(yōu)功率分配和功率分割比分配的閉式解。仿真驗證了所求閉式解的正確性,分析了發(fā)送功率、中繼位置等參數(shù)對最優(yōu)傳輸設計的影響,并證明了所提優(yōu)化傳輸方案的性能優(yōu)越性。二、研究了認知雙向中繼網(wǎng)絡的信能同傳以及滿足傳輸公平性的聯(lián)合資源優(yōu)化方案。在考慮認知網(wǎng)絡采用underlay頻譜共享方式與主用戶共存情況下,以最大化最小認知用戶傳輸速率為目標,建立功率控制下的聯(lián)合優(yōu)化問題,旨在保證主用戶傳輸需求下,通過最優(yōu)分配認知用戶發(fā)送功率以及傳輸過程中的兩個重要參數(shù)(時間和功率分割比)來最大化最小認知用戶的傳輸性能。由于該聯(lián)合優(yōu)化問題是一個復雜的非凸優(yōu)化問題,難以直接求解,提出一個循環(huán)分步交替優(yōu)化算法,得到滿足該優(yōu)化問題的最優(yōu)資源分配。該算法通過將原優(yōu)化問題轉化為循環(huán)求解一個凸優(yōu)化問題和一個交替優(yōu)化問題,避免了直接求解的復雜性。仿真證明了所提傳輸方案能改善信道的非對稱傳輸,分析了主網(wǎng)絡干擾忍耐門限、用戶最大峰值功率等對認知網(wǎng)絡最優(yōu)傳輸設計的影響,并證明了所提優(yōu)化算法的性能優(yōu)越性。三、研究了考慮硬件損傷條件的信能同傳及聯(lián)合資源優(yōu)化方案�？紤]到實際物理器件往往存在不可避免的硬件損傷,結合硬件損傷影響下的信號模型,設計了硬件損傷影響下的信息能量同傳,并分別建立雙向AF和雙向DF中繼系統(tǒng)在滿足傳輸公平性下,以最大化可達傳輸總速率為目標的優(yōu)化問題。針對AF方案,推導了滿足目標函數(shù)最大化的最優(yōu)功率分割比的閉式解。針對DF方案,考慮到時間分配可進一步改善DF傳輸方案的性能,設計了聯(lián)合優(yōu)化時間和功分比分配來最大化目標函數(shù)的優(yōu)化方案,為求解該優(yōu)化問題,首先提出基于交替優(yōu)化的聯(lián)合優(yōu)化算法;接下來,考慮到交替優(yōu)化算法的迭代求解仍具有較高復雜度,通過分析硬件損傷下的性能飽和性,提出一個適合硬件損傷模型的基于松弛上界的次優(yōu)求解算法。仿真對比分析了硬件損傷對AF和DF系統(tǒng)傳輸性能的影響,證明了DF方案中的次優(yōu)算法是聯(lián)合最優(yōu)傳輸性能的近似解,同時驗證了所提優(yōu)化傳輸方案的性能優(yōu)越性。
【學位單位】：重慶郵電大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.5;TP391.44
【部分圖文】：

重慶郵電大學博士學位論文 1 緒論引起的不對稱傳輸問題，分析了主網(wǎng)絡干擾忍耐門限、用戶最大峰值功率等對認知網(wǎng)絡最優(yōu)傳輸設計的影響，并比較了所提算法與傳統(tǒng)優(yōu)化方案的系統(tǒng)性能。3）考慮實際硬件損傷對系統(tǒng)傳輸信號的影響，基于 PS 能量收集建立了雙向中繼系統(tǒng)的信息能量同傳模型。然后，結合 AF 和 DF 中繼轉發(fā)協(xié)議，分別建立了以滿足傳輸速率公平的最大化可達傳輸總速率為目標的優(yōu)化問題。針對 AF 方案，考慮優(yōu)化功率分割比來最大化目標函數(shù)，推導了滿足該優(yōu)化問題的最優(yōu)功率分割比的閉式解。針對 DF 方案，考慮聯(lián)合優(yōu)化時間和功分比來最大化目標函數(shù)，并分別提出一個基于交替優(yōu)化的聯(lián)合時間和功率分割比的優(yōu)化算法以及一個基于松弛上界的低復雜度次優(yōu)求解算法。仿真比較分析了硬件損傷對 AF 系統(tǒng)和 DF 系統(tǒng)的傳輸性能影響，驗證得到 DF 方案中的次優(yōu)算法是聯(lián)合最優(yōu)傳輸性能的近似解，并比較了所提傳輸方案與傳統(tǒng)傳輸方案的性能。

圖 2.1 無線能量收集的一般傳輸網(wǎng)絡架構Fig.2.1 AGeneral network model for wireless powered communication與從其它自然資源如太陽能、風能等能量收集方式不同，通過 RF 無線信號能量收集具有這些特點：1）RF 能量源能提供連續(xù)不斷，不受氣候、時間等影響的遠距離能量傳輸；2）當傳輸距離和能量傳輸源能量固定時，傳輸?shù)哪芰渴强深A測的；3）收集的能量總量受信道條件的影響。按照傳輸性質，RF 能量源可分為兩種類型：專有 RF 能量源（Dedicated ource）和周邊 RF 能量源（Ambient RF Source）：1）專有 RF 能量源：該能量源通常設立在需要提供持續(xù)不斷且要求有穩(wěn)定供給的網(wǎng)絡節(jié)點附近。這些專有 RF 能量源既可以利用非授權頻段（licence-fr可以利用授權頻段進行 RF 能量傳輸。文獻[65]設計了一種授權頻段下基于圓布式天線的分布式能量站作為網(wǎng)絡的能量供給源。文獻[66]研究了基于毫米波的無線自組織網(wǎng)絡借助能量站供能的通信方案。然而，專用 RF 能量源的設置

RF 能量源：我們稱周期性工作的 RF 能量源或采用時變源為動態(tài)周邊 RF 能量源，常見的有 WiFi 接入點和認知。當這些動態(tài)周邊 RF 能量源處于信息或能量傳輸階段點便可以在該特定頻率范圍內(nèi)搜索傳輸?shù)腞F信號獲取知無線電網(wǎng)絡中的能量收集，次用戶從臨近的發(fā)射主用在主用戶處于空閑階段時，將該能量用于自身的信息傳 RF 能量收集的通信設備基礎結構出了一個具備 RF 能量收集能力的通信設備的基礎結構塊、能量處理模塊和通信模塊三部分。整流模塊的主要（AC 交流型）轉換為 DC 直流信號，它主要由能量收線信號接收機構成。能量處理模塊主要決定能量的傳輸量管理單元和能量儲存單元構成。通信模塊則是利用收操作模塊，它主要由 CPU/傳感器、收發(fā)器以及通信天
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本文編號：2846885