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基于无线能量采集技术的室内传感器网络性能研究

沈建梅  
【摘要】:近年来,无线通信领域中能量损耗问题受到了社会各界的广泛关注。自然能源的过度使用会造成资源枯竭、全球变暖等一系列的负面影响。在倡导“绿色通信”的背景下,能量采集(Energy Harvesting,EH)技术逐渐地进入了人们的视野。传统的EH技术主要从光能、水能、风能、潮汐能等可再生能源中采集能量,但外界环境是随机变化的,不能提供稳定的能量供应,而且在传感器网络中,通信节点大多数由电池供电,但在自然条件险恶的环境中,更换电池是极其不便的。因此,最大限度地延长无线网络的生命周期是亟待解决的难题。众多的科研工作者将目光逐渐聚焦到从无线射频(Radio Frequency,RF)信号中采集能量,与从太阳能、风能等自然能源中采集能量相比,此技术的优点是可以同时进行能量收集和信息传输,这种EH技术也称为无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术。基于SWIPT技术,本文主要研究了在对数正态(Log-normal)衰落信道下,采用放大转发(Amplify-and-Forward,AF)的单向传输中继协作系统的性能,主要内容如下:一方面,本文考虑了Log-normal衰落信道下的一个单向传输的SWIPT网络,其中中继节点为AF型中继。结合时隙切换中继(Time Switching-based Relaying,TSR)和功率分配中继(Power Splitting-based Relaying,PSR)协议,我们提出了一个混合协议(Hybrid Protocol,HP),并推导了中断概率的解析表达式,且通过优化时隙切换因子以提高系统性能。仿真结果验证了本文所提协议的正确性,通过理论分析得出所提出HP的性能优于现有的PSR和TSR协议,同时验证源节点的发射功率可极大地影响系统性能,并且表明增加源节点到中继节点与中继节点到目的节点的信道方差可以有效地降低系统中断概率。另一方面,以单向三节点中继传输网络为基础,考虑了中继节点和目的节点从源节点和环境中的其他干扰信号中获取RF能量来为中继节点提供功率,同时推导了Log-normal信道下的系统中断概率和吞吐量的解析式作为本文的研究工作。实验结果验证了理论推导结果的正确性,证明与其他参数相比,传输速率对系统性能的影响更大。此外,在可变增益中继的情况下,输入信噪比对TSR和PSR协议的吞吐量影响较小。


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