為支持智慧家庭應用,Femtocell異構網絡中需要部署大量傳感器。射頻(Radio Frequency,RF)能量收集(Energy Harvesting,EH)可通過無線信號為設備充電,在未來Femtocell異構網絡中將有廣闊的應用前景。由于無線RF能量與信息都需要依靠無線鏈路傳輸,會競爭鏈路資源。因此,在Femtocell異構網絡中,對信息和能量傳輸?shù)穆?lián)合優(yōu)化研究尤為重要,主要存在如下挑戰(zhàn):(1)系統(tǒng)信息與能量傳輸參數(shù)間內在關聯(lián)關系復雜,全局模型難以建立;(2)網絡節(jié)點數(shù)量大、需要聯(lián)合優(yōu)化參數(shù)多,優(yōu)化難度高;(3)獲取全網鏈路狀態(tài)開銷大,系統(tǒng)實時優(yōu)化困難大。強化學習通過智能體與環(huán)境的不斷交互,利用環(huán)境反饋激勵信號進行決策和行為的自適應調整,非常適合大規(guī)模網絡的優(yōu)化應用。因此,本文基于強化學習理論,研究了兩種典型Femtocell異構無線EH網絡的優(yōu)化設計,具體創(chuàng)新工作內容如下:(1)首先研究了基于WPCN的Femtocell異構網絡,其中傳感器節(jié)點通過收集無線接入點的RF信號能量為自身充電。為了實現(xiàn)在滿足用戶信息傳輸和傳感器充電需求的前提下最大化Femtocell網絡信息容量的系統(tǒng)目標,建立了數(shù)學優(yōu)化模型,通過調節(jié)Femtocell發(fā)射功率在有效抑制干擾信號對信息傳輸影響的同時利用干擾信號為設備充電。為求解該問題,設計了基于Q-Learning的自適應功率控制算法框架。為提高算法性能,設計了基于距離因素和懲罰參數(shù)的分段式獎勵函數(shù)。為使設計更接近實際情況,考慮了反應實際電路特性的非線性EH模型的約束。通過對不同獎勵函數(shù)和超參數(shù)取值下網絡性能的對比,給出了網絡性能行為的變化規(guī)律。實驗結果驗證了所提算法框架的有效性,并且表明基于距離因素和懲罰參數(shù)的分段式獎勵函數(shù)具有更好的網絡性能,同時顯示采用實際非線性EH模型可有效避免傳統(tǒng)理想線性EH模型帶來的偏差。(2)進一步研究了更為復雜和更具普適性的無線信息與能量同傳(SWIPT)的Femtocell異構網絡,其中無線接入點通過射頻信號在為傳感器節(jié)點充電的同時將信息傳輸給信息用戶。針對此種網絡,將功率與SWIPT接收機功率分割因子進行了聯(lián)合優(yōu)化,目的是在保證普通信息用戶和充電傳感器的信息與充電需求條件下,最大化Femtocell網絡信息總容量。針對此問題,本文設計了基于Q-Learning的自適應功率與功率分割因子控制算法框架。為了使設計更接近實際情況,仿真實驗同樣考慮了非線性EH模型的約束。實驗結果驗證了所提算法框架的有效性,并給出了不同獎勵函數(shù)參數(shù)對網絡性能的影響規(guī)律。結果表明,ε-greedy動作選擇策略下的網絡性能優(yōu)于玻爾茲曼動作選擇策略,玻爾茲曼動作選擇策略適合于動作規(guī)模較小的場景。
【學位單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.5
【部分圖文】：

Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ基于ＩＰ協(xié)議，用戶可以通過室內的電纜或者數(shù)字用戶線路（Ｄｉｇｉｔａｌ??Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ?Ｌｉｎｅ，?ＤＳＬ）等接入到因特網，然后再通過因特網連接到移動運營商的??核心網上，這種連接方式無需改變現(xiàn)有的網絡框架。圖１－１所示為Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ網絡??架構圖。Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ基站體積小、成本低，適用于ＣＤＭＡ、ＧＳＭ、ＵＴＭＳ等無線通??信技術標準，同時與運營商的移動基站保持同制式、同頻段，因此終端可以通用。??Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ可由用戶自行在家庭或者辦公區(qū)域進行部署，由于信號傳輸距離短，所??以Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ可選擇較小的發(fā)射功率進行信號傳輸，約為１０￣１００?ｍＷ，與ＷｉＦｉ??（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ?Ｆｉｄｅｌｉｔｙ）的ＡＰ?（Ａｃｃｅｓｓ?Ｐｏｉｎｔ）發(fā)射功率相當，信號覆蓋半徑為５０？２００??２??

次提出信息和能量同時通過無線鏈路進行傳輸?shù)乃悸罚郏玻矗�。ＳＷＩＰＴ是指無線接入點??通過無線鏈路同時將信息和能量以射頻信號的方式發(fā)送給傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)??點從接受到的射頻信號中收集能量并進行信息解碼［２５］，如圖１－３所示為ＳＷＩＰＴ工??作示意圖。ＳＷＩＰＴ網絡在實際通信網絡中應用的難點主要有兩方面：一方面需要??設計專用的傳感器節(jié)點接收機硬件電路，能夠同時實現(xiàn)能量接收和信息解碼。另??一方面，考慮到能量收集和信息解碼的電路敏感度不同（通常情況下能量接收是－１０??ｄＢｍ，信息解碼是－６０?ｄＢｍ），因此需要分別設計能量接收機和信息接收機。針對??上述問題，文獻［２６］提出了兩種可以同時進行能量和信息接收的接收機結構，分別??為時間切換（Ｔｉｍｅ?Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，?ＴＳ）接收機和功率分割（Ｐｏｗｅｒ?Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ，ＰＳ）接收??機。ＴＳ接收機結構是將傳感器節(jié)點接收到的射頻信號分成兩個正交時間段進行接??收，第一個時間段進行能量收集，第二個時間段進行信息解碼。ＰＳ接收機結構是??將傳感器節(jié)點接收到的射頻信號通過功率分割器分割成兩部分，一部分信號用于??能量收集（假設功率分割因子為Ｐ）

傳感器節(jié)點丨（１））?＾??ＰＣｓ??無線接入點?一￣?！??圖１－２ＷＰＣＮ工作示意圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＷＰＣＮ??（２）?ＳＷＩＰＴ?方式??由于無線射頻信號中既可以傳輸信息也可以攜帶能量，Ｖａｒｓｈｎｅｙ于２００８年首??次提出信息和能量同時通過無線鏈路進行傳輸?shù)乃悸罚郏玻矗�。ＳＷＩＰＴ是指無線接入點??通過無線鏈路同時將信息和能量以射頻信號的方式發(fā)送給傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)??點從接受到的射頻信號中收集能量并進行信息解碼［２５］，如圖１－３所示為ＳＷＩＰＴ工??作示意圖。ＳＷＩＰＴ網絡在實際通信網絡中應用的難點主要有兩方面：一方面需要??設計專用的傳感器節(jié)點接收機硬件電路，能夠同時實現(xiàn)能量接收和信息解碼。另??一方面，考慮到能量收集和信息解碼的電路敏感度不同（通常情況下能量接收是－１０??ｄＢｍ，信息解碼是－６０?ｄＢｍ），因此需要分別設計能量接收機和信息接收機。針對??上述問題，文獻［２６］提出了兩種可以同時進行能量和信息接收的接收機結構，分別??為時間切換（Ｔｉｍｅ?Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ
【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

1 周姝姝;徐揚;;Femtocell雙層網絡中基于博弈論的功率控制研究[J];計算機技術與發(fā)展;2015年11期

2 魯蔚鋒;祁彥川;何利文;陳思光;;Femtocell網絡干擾抑制技術綜述[J];電信科學;2014年05期

3 穆施瑤;朱琦;;家庭基站系統(tǒng)中的聯(lián)合信道與功率控制算法[J];通信學報;2014年04期

4 黃學良;譚林林;陳中;強浩;周亞龍;王維;曹偉杰;;無線電能傳輸技術研究與應用綜述[J];電工技術學報;2013年10期

5 肖竹;李仁發(fā);易克初;張杰;;兩層異構網絡中femtocell研究進展與展望[J];通信學報;2013年02期

相關碩士學位論文 前1條

1 黃桂冰;大規(guī)模分布式天線系統(tǒng)關鍵技術研究[D];華南理工大學;2018年

本文編號：2892080