隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用和人工智能、機器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)和虛擬/增強現(xiàn)實等技術(shù)的日臻成熟,高密度全覆蓋、高速率大容量、低延時高可靠、低功耗廣連接的端到端通信需求應(yīng)運而生,而傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)無法滿足新技術(shù)、新場景和新應(yīng)用的要求,因此5G時代正式迎來了曙光。在5G無線通信技術(shù)中,認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜共享和非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技術(shù)吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜共享可實現(xiàn)頻譜資源的復(fù)用,未授權(quán)用戶可以機會性地占用授權(quán)頻段進行數(shù)據(jù)傳輸。攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技術(shù)可以將射頻干擾信號轉(zhuǎn)化為能量,結(jié)合SWITP的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)可以提高能量效率,延長網(wǎng)絡(luò)的生存期限,滿足綠色通信的要求。NOMA作為一種新型無線接入技術(shù)具有很高的頻譜效率。發(fā)射端采用疊加編碼機制,通過分配不同的功率,線性組合不同用戶的信號,并占用整個信道資源廣播信號給各用戶。為進一步提高頻譜和能量效率,滿足5G的通信需求,本文研究了 5G場景中高能效和高譜效的通信協(xié)議設(shè)計。首先討論了基于攜能通信的能量協(xié)作的時域頻譜共享協(xié)議,然后提出了能量和數(shù)據(jù)協(xié)作的時空域頻譜共享協(xié)議,進一步提高頻譜和能量效率,分析了能量或數(shù)據(jù)協(xié)作對占有頻譜的主系統(tǒng)和無授權(quán)頻譜的次系統(tǒng)影響。隨后研究了具有高頻譜效率的NOMA方案,在不同場景下,提出了基于截短ARQ及最優(yōu)中繼選擇的協(xié)作NOMA方案,分析關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)吞吐量影響。論文的主要研究內(nèi)容包括:1.提出了一種能量協(xié)作的時域頻譜共享協(xié)議。該協(xié)議包含三個階段:第一階段,次系統(tǒng)發(fā)送端(Secondary Transmitter,ST)與主基站(Primary Base Station,PB)共同發(fā)送能量信號給主系統(tǒng)用戶(Primary User Equipment,UE)充電;第二階段,UE使用收集的能量發(fā)送上行數(shù)據(jù)給PB;第三階段,ST接入頻譜發(fā)送次系統(tǒng)數(shù)據(jù)。次系統(tǒng)通過給主系統(tǒng)設(shè)備提供能量,換取頻譜資源實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸�？紤]相同時間塊上行無線能量傳輸(Wireless Energy Transfer,WET)與下行無線信息傳輸(Wireless Information Transfer,WIT)具有相關(guān)性,在發(fā)射功率的約束下,推導(dǎo)了主系統(tǒng)和次系統(tǒng)的吞吐量。在保障主系統(tǒng)性能條件下優(yōu)化了 WET和WIT的時間分配系數(shù),使次系統(tǒng)吞吐量最大。2.提出了一種能量-數(shù)據(jù)協(xié)作的時空域頻譜共享協(xié)議。該協(xié)議包含兩個階段:第一階段,PB發(fā)送能量信號給主系統(tǒng)UE,同時SU可以接入主用戶頻譜傳輸自己的數(shù)據(jù)。次系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致的干擾可幫助提升UE能量收集效率;第二階段,UE給PB發(fā)送上行數(shù)據(jù),同時SU偵聽、解調(diào)該信號。如果PB錯誤接收但是SU正確解調(diào)主系統(tǒng)的上行信號,那么SU可以作為中繼與UE構(gòu)成虛擬天線陣列,使用Alamouti編碼技術(shù)在下一時間塊共同重傳主系統(tǒng)的數(shù)據(jù),引入空間分集提高鏈路的魯棒性。伴隨著SU能量和數(shù)據(jù)的協(xié)作,主系統(tǒng)數(shù)據(jù)可實現(xiàn)更快更可靠傳輸,為次系統(tǒng)提供更多的頻譜接入機會�？紤]到一個時間塊內(nèi)下行WET和上行WIT的信道相關(guān)性,我們推導(dǎo)了主次系統(tǒng)的吞吐量。在保障主系統(tǒng)吞吐量約束的同時,最大化次系統(tǒng)吞吐量,優(yōu)化了 WET和WIT之間的時間分配系數(shù)。3.提出了一種基于截短ARQ和中繼的NOMA方案。在功率域,源節(jié)點使用疊加編碼技術(shù)同時發(fā)送包含兩個用戶信息的混合信號給中繼和目的節(jié)點。由于源節(jié)點與目的節(jié)點之間沒有直接路徑,中繼節(jié)點采用連續(xù)干擾消除(Success Interference Cancelation,SIC)技術(shù),首先解調(diào)并消除自己的信號,隨后解調(diào)目的節(jié)點的信息。如果中繼節(jié)點錯誤解調(diào)相應(yīng)信號,隨后源節(jié)點使用全部功率重傳。當(dāng)目的節(jié)點信息被正確恢復(fù)時,中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該信號。如果目的節(jié)點錯誤接收該信號,那么中繼節(jié)點重傳該信號。采用截短ARQ機制,確保了信息傳輸?shù)乜煽啃�。我們推�?dǎo)了系統(tǒng)吞吐量,揭示了系統(tǒng)參數(shù),比如功率分配系數(shù)、速率、距離等對系統(tǒng)性能的影響。仿真結(jié)果表明提出方案的系統(tǒng)吞吐量要高于基于截短ARQ的傳統(tǒng)中繼策略。4.提出了一種基于協(xié)作中繼選擇的NOMA方案,在接入點(Access Point,AP)和U2之間存在一個多中繼的協(xié)作區(qū)域。通信過程分為兩個階段:第一階段,AP通過線性疊加編碼技術(shù)合并準(zhǔn)備發(fā)送給近端用戶U1的信號s1和遠端用戶U2的信號s2,隨后AP廣播該混合信號。U1和中繼將s2當(dāng)成干擾解調(diào)S1。如果中繼正確恢復(fù)s1,那么從混合信號中消除s1的成分繼續(xù)解調(diào)s2;第二階段,從能夠正確恢復(fù)s2的中繼里面,選擇一個與U2信道狀況最好的中繼轉(zhuǎn)發(fā)s2給U2。當(dāng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)s2時,未能正確解調(diào)s1的U1同時偵聽該信號并采用最大比合并(Maximal-Ratio Combining,MRC)技術(shù)合并兩個階段來自AP和中繼的s2進行解調(diào)、消除s2成分,從而繼續(xù)恢復(fù)s1�？紤]到U1、中繼和U2信號解調(diào)狀況,推導(dǎo)了系統(tǒng)吞吐量,揭示了系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的影響。仿真結(jié)果表明在較低的能量消耗情況下,所提方案獲得了比TDMA方案更高的系統(tǒng)吞吐量。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.5;TN925
【部分圖文】：

１．２認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)與攜能通信技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀??１．２．１認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜共享技術(shù)??面對當(dāng)前無線流量和智能設(shè)備爆炸式增長的情況（如圖１．１所示），有限的頻譜??資源己經(jīng)分配殆盡，為確�！皩拵е袊薄ⅰ鞍僬奏l(xiāng)村”、“互聯(lián)網(wǎng)＋”等國家層面計劃??的落地，急需探索額外的頻譜資源丨１６卜在５Ｇ網(wǎng)絡(luò)中，拓展頻譜資源存在兩種方??式：使用較高頻段的頻譜資源，比如毫米波（３０?－?３００?ＧＨｚ）?［１８］和可見光（３８５?－?７９０??ＴＨｚ）丨１９］頻段；此外，珍貴頻譜資源在時間和空間上并沒有被充分使用，針對動態(tài)??閑置的頻譜資源，可采用認(rèn)知無線電技術(shù)實現(xiàn)頻譜的復(fù)用。??認(rèn)知無線電技術(shù)是５Ｇ關(guān)鍵技術(shù)之一丨２０］，可以根據(jù)優(yōu)先級靈活調(diào)度不同??的無線通信系統(tǒng)工作在相同的頻段，充分提高頻譜的使用效率丨２１］。頻譜共??享（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ?Ｓｈａｒｉｎｇ）技術(shù)可實現(xiàn)空閑頻譜的復(fù)用

本論文的結(jié)構(gòu)如圖１．２所示，研宂了基于攜能通信的認(rèn)知無線電頻譜共享策略??（第二、三章）和協(xié)作中繼ＮＯＭＡ方案（第四、五章），具體內(nèi)容安排如下：??第一章緒論主要介紹了?５Ｇ關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，論文的主要研究背景以及論??文的創(chuàng)新點。??第二章提出了基于能量協(xié)作的時域頻譜共享協(xié)議，提高主系統(tǒng)能量收集效率，??實現(xiàn)次系統(tǒng)機會性地占用主系統(tǒng)頻譜實現(xiàn)自身數(shù)據(jù)傳輸。??第三章提出了基于能量－數(shù)據(jù)協(xié)作的頻譜共享協(xié)議，利用Ａｌａｍｏｕｔｉ編碼和虛擬??天線陣列，獲得協(xié)作分集增益，提高系統(tǒng)的魯棒性。??第四章研宄了采用截短ＡＲＱ機制和中繼的ＮＯＭＡ協(xié)議，通過有限次重傳減??少傳輸時延，提高數(shù)據(jù)包傳輸?shù)乜煽啃浴??第五章提出了基于協(xié)作中繼選擇的ＮＯＭＡ系統(tǒng)，選擇協(xié)作區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)中??繼轉(zhuǎn)發(fā)遠端用戶信息．并且協(xié)助未正確接收數(shù)據(jù)的近端用戶消除干擾恢復(fù)期望信??號。??．。??

在保障主系統(tǒng)吞吐量不低于基準(zhǔn)模型吞吐量的同時．最大化次系統(tǒng)吞吐量。??？仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性，揭示了系統(tǒng)參數(shù)，例如時間分配系數(shù)、??主次系統(tǒng)傳輸速率、終端距離和發(fā)送功率等的變化，導(dǎo)致的資源分配對主系??統(tǒng)和次系統(tǒng)性能的影響。??本章結(jié)構(gòu)：２．２節(jié)介紹了系統(tǒng)模型和通信協(xié)議；２．３節(jié)介紹了基準(zhǔn)模型并分析了??基準(zhǔn)模型的吞吐量；２．４節(jié)分別推導(dǎo)了所提模型主系統(tǒng)和次系統(tǒng)的吞吐量：２．５節(jié)描??述了仿真實驗結(jié)果并解釋了原因；２．６節(jié)總結(jié)全章。??２．２?系統(tǒng)模型??圖２．１為提出的能量協(xié)作時域頻譜共享方案的系統(tǒng)模型，包括一條主鏈路和??一條次鏈路。主系統(tǒng)優(yōu)先占據(jù)頻譜資源，而次系統(tǒng)可以當(dāng)作室內(nèi)無線局域網(wǎng)??（■Ｗｉｒｅｌｅｓｓ?Ｌｏｃａｌ?Ａｒｅａ．?Ｎｅｔｗｏｒｋ）機會接入主系統(tǒng)的頻譜資源，其中ＳＴ可認(rèn)為是接??入點（ＡＰ），ＳＲ是次系統(tǒng)的用戶。協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如圖２．２所示。每個ｒ秒的時間塊分??
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本文編號：2867212