發(fā)布時間：2017-05-26 11:18

  本文關(guān)鍵詞：無線協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的資源分配和信息能量同傳技術(shù)的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：現(xiàn)代通信技術(shù)在短短幾十年間經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字、從固定到移動、從低速到高速的重大變革,信息通信產(chǎn)業(yè)在飛速發(fā)展的同時,其巨大的能量消耗及二氧化碳排放量已引起人們的重視,人們希望在保證用戶通信質(zhì)量的同時,能夠降低通信網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和環(huán)保壓力；與此同時,無線通信與有線通信相比能夠適應(yīng)一些苛刻的、或是特殊的應(yīng)用環(huán)境,例如在惡劣環(huán)境下的無線傳感器節(jié)點和植入人體的精密醫(yī)療芯片等,其中的無線設(shè)備既無法通過連接電網(wǎng)供電又無法經(jīng)常更換電池,使得通信質(zhì)量和設(shè)備使用壽命嚴(yán)重受到有限電池容量的制約,因此需要一種有效的手段來為能量受限設(shè)備提供連續(xù)且穩(wěn)定的電能供應(yīng)以延長設(shè)備以及整個網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。針對上述問題,本文做了兩方面工作,一方面,通過結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)設(shè)計傳輸協(xié)議,合理分配網(wǎng)絡(luò)中有限的帶寬資源來降低協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中能量受限用戶的功率消耗；另一方面,采用近兩年新興的無線信息和能量的同時傳輸技術(shù),即SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer),使網(wǎng)絡(luò)中能量受限的節(jié)點能夠從周圍環(huán)境的射頻信號中收集能量并用于后續(xù)的無線信息傳輸,以此來維持網(wǎng)絡(luò)的正常通信并提高通信質(zhì)量。主要工作和貢獻(xiàn)如下： (1)以降低移動用戶的平均發(fā)送功率為目標(biāo),研究多用戶中繼蜂窩小區(qū)的資源分配和中繼部署問題。首先,結(jié)合數(shù)字網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù),提出支持雙向傳輸?shù)亩嗄B(tài)小區(qū)的用戶帶寬資源分配方法和傳輸模式選擇策略：在此基礎(chǔ)之上,構(gòu)造出一個小區(qū)用戶平均發(fā)送功率關(guān)于用戶傳輸模式選擇和中繼部署位置的聯(lián)合優(yōu)化問題；由于該問題非凸,設(shè)計了一種基于遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)的優(yōu)化算法,該算法能夠快速收斂并獲得小區(qū)最優(yōu)中繼部署位置和用戶傳輸模式；此外,還研究了小區(qū)不同頻率復(fù)用類型對移動用戶發(fā)送功率和系統(tǒng)頻譜效率的影響。大量仿真結(jié)果表明,中繼采用網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作模式相比于傳統(tǒng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)模式能延長移動用戶6%以上的生命周期,同時能獲得更高的系統(tǒng)頻譜效率。 (2)研究部署SWIPT技術(shù)的雙向傳輸中繼系統(tǒng)性能,目的是給出系統(tǒng)中斷性能的定量刻畫方式。首先考慮兩種實用接收機(jī)：PS (Power Splitting)接收機(jī)和TS (Time Switching)接收機(jī),并結(jié)合數(shù)字網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)分別設(shè)計了兩種中繼傳輸協(xié)議,即PSNCR協(xié)議和TSNCR協(xié)議；其次,在中繼無源的情況下,分別給出采用兩種協(xié)議時系統(tǒng)中斷概率的閉式表達(dá)式和在高信噪比條件下的近似表達(dá)式；進(jìn)一步地,以最小化系統(tǒng)中斷概率為目標(biāo)建立最優(yōu)化模型,并設(shè)計優(yōu)化算法得到系統(tǒng)的最優(yōu)配置參數(shù)；在此基礎(chǔ)之上,給出系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)選擇區(qū)域映射表。大量仿真實驗證明網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)結(jié)合SWIFT技術(shù)能夠大大降低系統(tǒng)的中斷概率；同時發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)非能量收集的雙向傳輸中繼系統(tǒng)相比,采用SWIPT技術(shù)的系統(tǒng)中中繼位置對系統(tǒng)中斷性能的影響有很大差別：當(dāng)部署能量收集技術(shù)的中繼位于兩個源節(jié)點的中間位置時,系統(tǒng)的中斷性能反而最差,這與傳統(tǒng)的非能量收集雙向傳輸系統(tǒng)中的情形正好相反。 (3)針對采用模擬網(wǎng)絡(luò)編碼中繼協(xié)作的多用戶傳輸系統(tǒng),研究部署SWIPT技術(shù)的系統(tǒng)中斷性能。首先針對PS接收機(jī)和TS接收機(jī)分別提出兩種中繼協(xié)議,即TSCMT協(xié)議和PSCMT協(xié)議,使得無源中繼能夠從源發(fā)出的信號中收集能量,并用于協(xié)助多用戶信息的傳輸；針對提出的每種協(xié)議,分別分析了系統(tǒng)的中斷性能,并給出采用每種協(xié)議下系統(tǒng)中斷概率的閉式表達(dá)式和在高信噪比條件下中斷概率的近似表達(dá)式；基于中斷概率的理論分析結(jié)果,詳細(xì)討論了系統(tǒng)配置參數(shù)對中斷性能的影響；仿真實驗表明,借助部署SWIPT技術(shù)的中繼協(xié)作進(jìn)行的多用戶傳輸能夠提高系統(tǒng)的傳輸可靠性、降低中斷概率。此外,由于協(xié)作中繼是無源的,其能量補(bǔ)給來源于網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)纳漕l信號,因此,中繼在降低系統(tǒng)中斷概率的同時并沒有增加網(wǎng)絡(luò)的能量開銷。 (4)將SWIPT技術(shù)推廣到譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作的MIMO-OFDM中繼系統(tǒng),研究兩跳系統(tǒng)的可達(dá)速率性能。首先針對PS接收機(jī)和TS接收機(jī)分別提出兩種中繼協(xié)議,即TSDFR協(xié)議和PSDFR協(xié)議,使得無源中繼能夠從源節(jié)點發(fā)送的信號中收集能量,并用于后續(xù)協(xié)助傳輸信息給目的節(jié)點；其次,針對每種協(xié)議分別從理論上分析系統(tǒng)的可達(dá)速率性能,并構(gòu)造出可達(dá)速率最大化的優(yōu)化問題；根據(jù)每個優(yōu)化問題中采用的接收機(jī)特性首先將非凸的問題進(jìn)行逐步分解,在得出部分精確理論結(jié)果的基礎(chǔ)之上,設(shè)計了一種基于增廣拉格朗日罰函數(shù)方法的優(yōu)化算法來聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)的多個配置參數(shù)(包括功率分配方式和TSDFR協(xié)議中的能量收集時間),該算法能快速準(zhǔn)確地得到系統(tǒng)的最優(yōu)配置參數(shù)使系統(tǒng)的可達(dá)速率最大化；大量仿真結(jié)果表明,PSDFR協(xié)議與TSDFR協(xié)議相比能夠獲得更高的可達(dá)速率；同時發(fā)現(xiàn),中繼位置同樣影響著系統(tǒng)的可達(dá)速率,當(dāng)部署能量收集技術(shù)的中繼位于源節(jié)點和目的節(jié)點的中間位置時,系統(tǒng)的可達(dá)速率反而變低,這與傳統(tǒng)非能量收集的兩跳中繼系統(tǒng)中的情形正好相反。
【關(guān)鍵詞】：能量收集 無線信息和能量的同時傳輸 中繼 協(xié)作通信 資源分配 中斷概率 MIMO OFDM
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN925
【目錄】：

• 致謝5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 目錄11-14
• ~.略語對照表14-15
• 1 緒論15-33
• 1.1 引言15-16
• 1.2 無線通信的發(fā)展及挑戰(zhàn)16-19
• 1.3 提高網(wǎng)絡(luò)能效的傳輸技術(shù)概述19-28
• 1.3.1 中繼技術(shù)19-21
• 1.3.2 網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)21-23
• 1.3.3 SWIPT 技術(shù)23-28
• 1.4 論文研究內(nèi)容和主要貢獻(xiàn)28-31
• 1.5 論文組織結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排31-33
• 2 網(wǎng)絡(luò)編碼雙向協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的資源分配33-55
• 2.1 引言33-34
• 2.2 相關(guān)工作34-36
• 2.3 系統(tǒng)模型36-39
• 2.3.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置36-37
• 2.3.2 路徑損耗模型和發(fā)送功率描述37-38
• 2.3.3 頻率復(fù)用型38-39
• 2.4 小區(qū)帶寬分配及傳輸模式選擇策略39-43
• 2.4.1 網(wǎng)絡(luò)編碼中繼協(xié)作模式的帶寬分配39-42
• 2.4.2 傳統(tǒng)中繼譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作模式的帶寬分配42-43
• 2.5 優(yōu)化問題及優(yōu)化算法43-45
• 2.5.1 優(yōu)化問題描述43-44
• 2.5.2 基于遺傳算法的最優(yōu)帶寬分配及中繼位置優(yōu)化算法44-45
• 2.6 仿真結(jié)果與分析45-53
• 2.6.1 網(wǎng)絡(luò)編碼中繼位置與最小發(fā)射功率優(yōu)化結(jié)果45-48
• 2.6.2 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作中繼位置與最小發(fā)射功率優(yōu)化結(jié)果48-50
• 2.6.3 頻率復(fù)用對系統(tǒng)性能的影響50-53
• 2.7 本章小結(jié)53-55
• 3 雙向傳輸中繼系統(tǒng)的SWIPT技術(shù)研究55-87
• 3.1 引言55-57
• 3.2 相關(guān)工作57-58
• 3.3 系統(tǒng)模型和傳輸協(xié)議58-62
• 3.3.1 系統(tǒng)模型和假設(shè)58-59
• 3.3.2 傳輸協(xié)議描述59-62
• 3.4 能量收集雙向傳輸中繼系統(tǒng)的中斷性能分析62-71
• 3.4.1 PSNCR協(xié)議的中斷概率62-65
• 3.4.2 PSFPR協(xié)議的中斷概率65-68
• 3.4.3 TSNCR協(xié)議的中斷概率68-70
• 3.4.4 TSFPR協(xié)議的中斷概率70-71
• 3.5 中斷最優(yōu)系統(tǒng)設(shè)計71-72
• 3.5.1 優(yōu)化問題描述71-72
• 3.5.2 優(yōu)化算法72
• 3.6 仿真結(jié)果與分析72-85
• 3.6.1 中斷概率分析驗證73-75
• 3.6.2 參數(shù)α,ρ和θ對系統(tǒng)中斷性能的影響75
• 3.6.3 系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)選擇區(qū)域75-78
• 3.6.4 中繼位置對系統(tǒng)中斷概率的影響78-80
• 3.6.5 源發(fā)送功率對系統(tǒng)中斷概率的影響80-82
• 3.6.6 噪聲對系統(tǒng)中斷概率的影響82-85
• 3.7 本章小結(jié)85-87
• 4 中繼協(xié)作多用戶傳輸系統(tǒng)的SWIPT技術(shù)研究87-103
• 4.1 引言87-89
• 4.2 系統(tǒng)模型89
• 4.3 TSCMT協(xié)議與中斷性能分析89-94
• 4.3.1 協(xié)議描述89-90
• 4.3.2 系統(tǒng)中斷概率分析90-94
• 4.4 PSCMT協(xié)議與中斷性能分析94-97
• 4.4.1 協(xié)議描述94-95
• 4.4.2 系統(tǒng)中斷概率分析95-97
• 4.5 仿真結(jié)果與分析97-101
• 4.5.1 中斷概率分析驗證98
• 4.5.2 源發(fā)送功率對系統(tǒng)中斷概率的影響98-101
• 4.5.3 中繼位置對系統(tǒng)中斷概率的影響101
• 4.6 本章小結(jié)101-103
• 5 MIMO-OFDM中繼系統(tǒng)的SWIPT技術(shù)研究103-129
• 5.1 引言103-105
• 5.2 相關(guān)技術(shù)介紹105-106
• 5.3 系統(tǒng)模型106-108
• 5.3.1 系統(tǒng)模型和假設(shè)106
• 5.3.2 DF MIMO-OFDM中繼系統(tǒng)的基本傳輸過程106-108
• 5.4 協(xié)議描述和優(yōu)化問題108-113
• 5.4.1 TSDFR協(xié)議和優(yōu)化問題109-111
• 5.4.2 PSDFR協(xié)議和優(yōu)化問題111-113
• 5.5 可達(dá)速率優(yōu)化113-121
• 5.5.1 TSDFR協(xié)議的可達(dá)速率優(yōu)化113-119
• 5.5.2 PSDFR協(xié)議的可達(dá)速率優(yōu)化119-121
• 5.6 仿真結(jié)果與分析121-126
• 5.6.1 可達(dá)速率性能分析驗證123
• 5.6.2 位置參數(shù)φ對系統(tǒng)可達(dá)速率的影響123-125
• 5.6.3 天線數(shù)N對系統(tǒng)可達(dá)速率的影響125-126
• 5.6.4 子載波數(shù)K對系統(tǒng)可達(dá)速率的影響126
• 5.7 本章小結(jié)126-129
• 6 總結(jié)與展望129-133
• 6.1 工作總結(jié)129-130
• 6.2 未來研究展望130-133
• 參考文獻(xiàn)133-144
• 作者簡歷144-145
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文145-147
• 攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項目147-151
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集151

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 呂凌;于宏毅;;物理層網(wǎng)絡(luò)編碼分組的機(jī)會中繼[J];電子與信息學(xué)報;2009年07期

2 熊軻;樊平毅;易粟;雷鳴;;中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)下行協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼中繼方法(英文)[J];中國通信;2013年07期

3 杜冠瑤;熊軻;李丹丹;張煜;裘正定;;基于網(wǎng)絡(luò)編碼的能量最小化帶寬分配方法[J];應(yīng)用科學(xué)學(xué)報;2013年04期

  本文關(guān)鍵詞：無線協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的資源分配和信息能量同傳技術(shù)的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：396649