物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,要求無(wú)線通信傳輸設(shè)計(jì)在考慮更廣覆蓋、更高速率的通信服務(wù)的同時(shí),解決影響網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的能源消耗問(wèn)題。基于射頻信息的無(wú)線能量收集技術(shù)是解決能量問(wèn)題的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),該技術(shù)能與無(wú)線信息傳輸結(jié)合,構(gòu)建信息和能量同時(shí)傳輸?shù)耐ㄐ艡C(jī)制。中繼傳輸能擴(kuò)大傳輸距離、提高傳輸可靠性,是滿足萬(wàn)物互聯(lián)需求的一項(xiàng)核心技術(shù),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(huì)成為常態(tài),因此,研究基于射頻能量收集的中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)化對(duì)未來(lái)通信發(fā)展有著重要意義。基于此,本文深入分析幾種典型雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的信息能量同傳及優(yōu)化方案,開(kāi)展了以下三個(gè)方面的研究工作:一、研究了雙向DF中繼網(wǎng)絡(luò)的信能同傳與優(yōu)化方案。針對(duì)采用PS能量收集和DF中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式的雙向中繼網(wǎng)絡(luò),首先基于有效性研究的驅(qū)使,建立以最大化系統(tǒng)可達(dá)傳輸總速率為目標(biāo)的最優(yōu)功率分割比優(yōu)化問(wèn)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(wèn)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(qū)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(wèn)題,旨在聯(lián)合優(yōu)化源端功率分配和中繼功率分割比來(lái)提升中斷性能,由于參數(shù)之間存在耦合性導(dǎo)致難以直接求解該聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)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(yàn)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(duì)最優(yōu)傳輸設(shè)計(jì)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(rèn)知雙向中繼網(wǎng)絡(luò)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(rèn)知網(wǎng)絡(luò)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(rèn)知用戶傳輸速率為目標(biāo),建立功率控制下的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題,旨在保證主用戶傳輸需求下,通過(guò)最優(yōu)分配認(rèn)知用戶發(fā)送功率以及傳輸過(guò)程中的兩個(gè)重要參數(shù)(時(shí)間和功率分割比)來(lái)最大化最小認(rèn)知用戶的傳輸性能。由于該聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的非凸優(yōu)化問(wèn)題,難以直接求解,提出一個(gè)循環(huán)分步交替優(yōu)化算法,得到滿足該優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)資源分配。該算法通過(guò)將原優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為循環(huán)求解一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題和一個(gè)交替優(yōu)化問(wèn)題,避免了直接求解的復(fù)雜性。仿真證明了所提傳輸方案能改善信道的非對(duì)稱傳輸,分析了主網(wǎng)絡(luò)干擾忍耐門(mén)限、用戶最大峰值功率等對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)傳輸設(shè)計(jì)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。考慮到實(shí)際物理器件往往存在不可避免的硬件損傷,結(jié)合硬件損傷影響下的信號(hào)模型,設(shè)計(jì)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(dá)傳輸總速率為目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題。針對(duì)AF方案,推導(dǎo)了滿足目標(biāo)函數(shù)最大化的最優(yōu)功率分割比的閉式解。針對(duì)DF方案,考慮到時(shí)間分配可進(jìn)一步改善DF傳輸方案的性能,設(shè)計(jì)了聯(lián)合優(yōu)化時(shí)間和功分比分配來(lái)最大化目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化方案,為求解該優(yōu)化問(wèn)題,首先提出基于交替優(yōu)化的聯(lián)合優(yōu)化算法;接下來(lái),考慮到交替優(yōu)化算法的迭代求解仍具有較高復(fù)雜度,通過(guò)分析硬件損傷下的性能飽和性,提出一個(gè)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(duì)比分析了硬件損傷對(duì)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(shí)驗(yàn)證了所提優(yōu)化傳輸方案的性能優(yōu)越性。
【學(xué)位單位】：重慶郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.5;TP391.44
【部分圖文】：

重慶郵電大學(xué)博士學(xué)位論文 1 緒論引起的不對(duì)稱傳輸問(wèn)題，分析了主網(wǎng)絡(luò)干擾忍耐門(mén)限、用戶最大峰值功率等對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)傳輸設(shè)計(jì)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(shí)際硬件損傷對(duì)系統(tǒng)傳輸信號(hào)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(jié)合 AF 和 DF 中繼轉(zhuǎn)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(dá)傳輸總速率為目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題。針對(duì) AF 方案，考慮優(yōu)化功率分割比來(lái)最大化目標(biāo)函數(shù)，推導(dǎo)了滿足該優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)功率分割比的閉式解。針對(duì) DF 方案，考慮聯(lián)合優(yōu)化時(shí)間和功分比來(lái)最大化目標(biāo)函數(shù)，并分別提出一個(gè)基于交替優(yōu)化的聯(lián)合時(shí)間和功率分割比的優(yōu)化算法以及一個(gè)基于松弛上界的低復(fù)雜度次優(yōu)求解算法。仿真比較分析了硬件損傷對(duì) AF 系統(tǒng)和 DF 系統(tǒng)的傳輸性能影響，驗(yàn)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(wú)線能量收集的一般傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2.1 AGeneral network model for wireless powered communication與從其它自然資源如太陽(yáng)能、風(fēng)能等能量收集方式不同，通過(guò) RF 無(wú)線信號(hào)能量收集具有這些特點(diǎn)：1）RF 能量源能提供連續(xù)不斷，不受氣候、時(shí)間等影響的遠(yuǎn)距離能量傳輸；2）當(dāng)傳輸距離和能量傳輸源能量固定時(shí)，傳輸?shù)哪芰渴强深A(yù)測(cè)的；3）收集的能量總量受信道條件的影響。按照傳輸性質(zhì)，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(shè)立在需要提供持續(xù)不斷且要求有穩(wěn)定供給的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)附近。這些專有 RF 能量源既可以利用非授權(quán)頻段（licence-fr可以利用授權(quán)頻段進(jìn)行 RF 能量傳輸。文獻(xiàn)[65]設(shè)計(jì)了一種授權(quán)頻段下基于圓布式天線的分布式能量站作為網(wǎng)絡(luò)的能量供給源。文獻(xiàn)[66]研究了基于毫米波的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)借助能量站供能的通信方案。然而，專用 RF 能量源的設(shè)置

RF 能量源：我們稱周期性工作的 RF 能量源或采用時(shí)變?cè)礊閯?dòng)態(tài)周邊 RF 能量源，常見(jiàn)的有 WiFi 接入點(diǎn)和認(rèn)知。當(dāng)這些動(dòng)態(tài)周邊 RF 能量源處于信息或能量傳輸階段點(diǎn)便可以在該特定頻率范圍內(nèi)搜索傳輸?shù)腞F信號(hào)獲取知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)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(shí)，將該能量用于自身的信息傳 RF 能量收集的通信設(shè)備基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)出了一個(gè)具備 RF 能量收集能力的通信設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為 DC 直流信號(hào)，它主要由能量收線信號(hào)接收機(jī)構(gòu)成。能量處理模塊主要決定能量的傳輸量管理單元和能量?jī)?chǔ)存單元構(gòu)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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