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.pdf

1、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

2、文以協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)為基本對象展開研究。為了達(dá)到延長協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)生存時間的目標(biāo)，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 Wireless 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(dá)到改善網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的目標(biāo)，

3、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(xiàn)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

4、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(dāng)?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(dāng)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SWI

5、PT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(dá)信息速率表達(dá)式。進(jìn)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(dá)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

6、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(dá)到了兩種接收機的最大可達(dá)信息速率，且IPS接收機具有更高的可達(dá)信息速率，而DPS接收機具有更低的計算復(fù)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(dāng)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(dāng)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

7、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(dá)信息速率表達(dá)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(dá)信息速率。對于理想?yún)f(xié)議，推導(dǎo)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(dǎo)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

8、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(dá)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(dāng)中繼部署在靠近源節(jié)點的位置時，系統(tǒng)達(dá)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

9、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(dǎo)了瑞利衰落信道下的系統(tǒng)可達(dá)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。