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《南京邮电大学》 2016年
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能量采集无线通信系统传输理论与关键技术

袁方超  
【摘要】:无线通信技术的飞速发展,使无线通信系统承载能力与覆盖范围不断提升,也让无线终端数量以及数据流量呈现爆炸式增长,这一系列的变化促使整个无线通信行业成为能量消耗的“大户”。另一方面随着移动互联网、物联网、多媒体技术的兴起,多元化的服务对无线设备的要求也越来越高,传统无线设备的能量受限特性将导致终端侧用户体验的“瓶颈”。因此,如何在提高通信系统频谱利用率的同时降低能量消耗是设计下一代无线通信的关键问题。能量采集技术的出现给整个无线通信领域带来了新的曙光,它通过萃取周围环境广泛存在的可再生能量来供通信系统进行可持续的信息传输。该方式打破了传统集中式能量供给模式所形成的严格界限,在获取更久工作周期的同时解决了无线通信发展所带来的能耗问题。但是,能量采集技术依赖于时间/空间分布并随机/间歇的特点,给无线通信系统传输理论和关键技术的研究带来了新的挑战。本论文从能量采集模型、存储非理想化、通信系统的资源分配优化、以及联合能量和信息传输四个方面入手,设计提出有效的传输方案来提高能量采集无线通信系统性能,同时对其中理论性的关键技术进行了深入细致的研究与分析。主要贡献描述如下:1)能量采集无线通信系统的吞吐量性能优化理论与方法。本工作以最大化吞吐量为目标,研究了静态信道和平坦衰落信道下的能量管理与传输方案问题。区别于传统的“采集-存储-使用”(HSU)机制,本工作提出一种新型的存储管理机制——“采集-使用-存储”(HUS)来灵活协调采集能量的随机性以及存储过程的非理想性。利用拉格朗日技术,本工作揭示了该机制下最优传输方案的特殊分配模式,并在此基础上推导出最优分配功率的闭式表达解。最后,本工作提出了一种基于动态规划的关键理论来更有效的锁定山谷位置,以更精确的得到功率分配值。数值结果验证了最优传输方案的特殊性质、探讨了提出方案相较于其他方案的优劣性。2)频率选择性信道下能量采集无线通信系统的离线和在线传输方案设计。为研究更普遍的城市信道场景,本工作将准静态频率选择性信道的无线传输优化问题作为主要研究对象,从两个角度较为系统的考察了点到点(P2P)能量采集无线通信系统的最大数据发送问题:a)基于离线或确定性(非因果)采集到达信息,b)基于在线或统计(因果)采集到达信息。为平衡随机到达的采集能量使用与电池电量存储/提取之间的博弈,本工作首先提出一种基于动态规划的双层分配技术来解决双域(时域和频域)的离线注水问题,并揭示了各域解决方案独特的分配性质。因确定性信息往往难以获得,本工作进一步对更为实际的在线传输方案进行分析设计,分别提出了最优方案(基于连续统计动态规划技术)和两种启发式且易实现的次优在线方案(基于离线双门限分配模式)。仿真结果验证了理论分析的正确性,并揭示了离线方案的优势以及次优算法的完美跟踪性。3)时延受限能量采集系统的能效优化方法与关键技术。针对该系统,本工作对信息发送的能量效率以及未来发送过程的可靠调度优化问题进行了设计研究。首先,本工作提出“无闲置”的最优发送策略来约束整个发送期间发送机的工作状态。并在此基础上进一步提出预设数据阈与电池剩余电量(PDTBRE)可行域的概念来限定无线信息发送比特与能量效率之间的帕累托博弈关系。据此本工作进而提出一种依赖于电池状态的双门限分配方案(其中双门限阈值呈现单调特性)来确定可行域边界。对于平坦衰落信道,传统唯一水位线注水方法已不再适用,所以本工作提出一种新型的阶梯式双门限注水技术,成功解决了最优能效的传输问题。数值结果展示了提出策略的PDTBRE可行域包络,并对比了各采集框架下的能效性能。4)无线信息与能量同时发送(SWIPT)的设计与分析。在协作发送端,结合能量合作(通过智能电表使各远端天线单元(RAU)与智能电网之间进行双向的能量交互和共享)与分布式天线技术,本工作提出了一种分步的功率发送策略来决策RAU端随机分布的采集能量使用以及RAU与智能电网之间的能量交互准则。该策略在保证可观的能量接收情况下,进一步提升了可控能量采集无线系统的信息发送速率。此外,本工作还实现了非绿色能量零使用的目标,将整个问题划分到两个场景:智能电网“收益”与智能电网“收支平衡”。对于前者本工作提出了满功率发送策略,并推导出满功发射的充要条件解析表达式。对于后者,解决方案则从特殊的三种分配性质出发构建了高效的双门限解决算法来求得最优解集。仿真结果表明了本工作提出方案的正确性和较于其他方案的优越性,同时对比分析了各参数条件下的SWIPT性能。
【学位授予单位】:南京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN92

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