本文關(guān)鍵詞：基于射頻能量收集與無速率編碼的協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)研究　出處：《北京交通大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：無線通信在過去幾十年間已取得飛速發(fā)展,社會的發(fā)展促使人們對無線通信系統(tǒng)提出更高的要求。一方面,人們希望獲得更高速率的通信服務(wù)。另一方面,人們也開始關(guān)注諸如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等能量受限網(wǎng)絡(luò),其中的無線設(shè)備通常既無法連接到電網(wǎng),也難以頻繁充電或更換電池。對于上述網(wǎng)絡(luò),在滿足基本通信服務(wù)的前提下,如何獲取穩(wěn)定持續(xù)的能量供應(yīng)從而延長網(wǎng)絡(luò)生存時間已成為關(guān)注的焦點。協(xié)作中繼技術(shù)因具有改善通信效率、擴展通信范圍等優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注,本文以協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)為基本對象展開研究。為了達到延長協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)生存時間的目標,采用射頻能量收集技術(shù)(包括無線能量驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Wireless Powered Communication Networks,WPCN)和無線信息與能量同傳技術(shù)(Simultaneous Wire-less Information and Power Transfer,SWIPT))為網(wǎng)絡(luò)中的能量受限節(jié)點提供通信所需的能量。另外,為了達到改善網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的目標,采用具有前向糾錯、自適應(yīng)信道變化及極低反饋等優(yōu)勢的無速率編碼(噴泉碼)技術(shù)增強協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的性能。本文通過融合上述技術(shù)以滿足未來通信發(fā)展的需要,主要工作和貢獻如下:第一,研究基于WPCN的用戶協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的策略設(shè)計與優(yōu)化。針對能量受限的兩用戶協(xié)作網(wǎng)絡(luò),部署能量站為其供應(yīng)能量,并提出利用能量波束成形(Energy Beamforming)提高能量傳輸效率。為探討系統(tǒng)性能限,通過聯(lián)合優(yōu)化能量波束成形設(shè)計和時間分配,建立優(yōu)化問題最大化用戶的加權(quán)和速率。而且,對于給定用戶傳輸信息量的情況,建立優(yōu)化問題最小化兩用戶的總傳輸時間。由于優(yōu)化問題是非凸的,難以處理,因此利用恰當?shù)淖兞刻鎿Q和半正定松弛(SemiDefinite Relaxation)技術(shù),提出有效的全局最優(yōu)算法來解決兩個優(yōu)化問題。研究結(jié)果表明本文提出的算法能夠顯著增強系統(tǒng)性能。結(jié)果也表明相對于不采用用戶協(xié)作的直接傳輸模式,當兩用戶的距離較近時,用戶協(xié)作傳輸模式要優(yōu)于直接傳輸模式。第二,研究基于SWIPT的OFDM協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的策略設(shè)計與優(yōu)化。針對具有能量受限中繼節(jié)點的兩跳OFDM中繼網(wǎng)絡(luò),研究兩種基于PS(Power Splitting)接收機架構(gòu)的適用于OFDM系統(tǒng)的SWIPT接收機,即IPS接收機和DPS接收機,并給出兩種接收機的系統(tǒng)可達信息速率表達式。進一步為探討系統(tǒng)性能限,通過聯(lián)合優(yōu)化資源分配,建立優(yōu)化問題最大化系統(tǒng)可達速率。由于優(yōu)化問題是非凸的,難以處理,因此基于理論分析,對IPS接收機和DPS接收機分別提出兩步和三步的有效優(yōu)化算法來解決。研究結(jié)果表明本文提出的方法分別達到了兩種接收機的最大可達信息速率,且IPS接收機具有更高的可達信息速率,而DPS接收機具有更低的計算復雜度。此外,為了獲得最佳的系統(tǒng)性能,在部署SWIPT的OFDM中繼系統(tǒng)中,中繼節(jié)點應(yīng)當部署在靠近源節(jié)點的位置,而在傳統(tǒng)的非SWIPT系統(tǒng)中,中繼節(jié)點應(yīng)當部署在源節(jié)點到目的節(jié)點的中間位置。第三,研究基于SWIPT與無速率編碼的協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的策略設(shè)計與優(yōu)化。針對具有能量受限中繼節(jié)點的無速率編碼協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò),提出三種SWIPT中繼協(xié)議,即理想?yún)f(xié)議,PS協(xié)議和TS(Time Switching)協(xié)議,并考慮兩種信息接收方式,即信息累積方式和能量累積方式。給出三種協(xié)議的可達信息速率表達式。為探討各中繼協(xié)議的性能限,建立優(yōu)化問題并提出有效算法得出各協(xié)議的最大可達信息速率。對于理想?yún)f(xié)議,推導了問題的顯式最優(yōu)解。對于PS協(xié)議,提出了一個線性搜索算法來解決。對于TS協(xié)議,通過推導系統(tǒng)優(yōu)化變量之間的函數(shù)關(guān)系提出了有效的方法來解決。研究結(jié)果表明對于相同的SWIPT中繼協(xié)議,信息累積接收方式的可達速率優(yōu)于能量累積接收方式,而對于相同的信息接收方式,PS協(xié)議優(yōu)于TS協(xié)議。而且相比未部署無速率編碼的SWIPT中繼系統(tǒng),無速率編碼的部署使得系統(tǒng)性能得到顯著改善。結(jié)果也表明當中繼部署在靠近源節(jié)點的位置時,系統(tǒng)達到最佳性能。第四,研究基于無速率編碼的協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的策略設(shè)計與性能。不同于上述工作針對部署射頻能量收集的網(wǎng)絡(luò)展開研究,本工作研究未部署射頻能量收集的網(wǎng)絡(luò)。首先,針對無速率編碼的協(xié)作多中繼網(wǎng)絡(luò),研究信道的非正交性對系統(tǒng)性能的影響,并應(yīng)用概率論推導了瑞利衰落信道下的系統(tǒng)可達信息速率的概率密度函數(shù)及平均信息速率。結(jié)果表明信道的非正交性會顯著降低無速率編碼協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的平均信息速率性能。然后,針對無線蝶形網(wǎng)絡(luò),研究無速率編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼的融合問題,提出了噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方案,并應(yīng)用概率論分析了其吞吐量性能。結(jié)果表明相對于無編碼方案和傳統(tǒng)的機會網(wǎng)絡(luò)編碼方案,噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方案能夠改善系統(tǒng)吞吐量性能。
[Abstract]:In order to achieve the goal of improving the quality of network communication , the paper proposes an effective global optimization algorithm to improve the performance of cooperative relay networks . In order to achieve the best performance of the system , the optimal solution is proposed to solve the problem . In order to achieve the best performance of the system , the optimal solution is proposed to solve the problem .

【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN929.5

【參考文獻】

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1 陳少磊;無速率碼的編譯碼及其在中繼與認知網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[D];浙江大學;2013年

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本文編號：1415190