基于解码转发中继的无线携能通信系统性能研究

摘要

在无线网络中，由于节点的能量有限，且在较为复杂的应用环境下难以更换电池，所以节点的寿命会受到节点能量的制约。为解决这一问题，传统的解决办法是采用节能调制、节能路由算法以及节能通信来延长节点的生存时间。近年来，随着无线能量传输技术逐渐成熟，将无线能量传输技术应用在节点上的无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术受到了广泛的关注，其核心思想是利用射频(Radio Frequency，RF)信号能够同时携带信息与能量这一特性来实现信能同传。SWIPT技术的出现，使得节点能够无限获得能量供应，达到节点的生存时间无限延长。
　　在由源节点、中继节点、目标节点组成的三节点SWIPT系统中，中继节点为无源节点，需要收集RF信号中的能量来启动工作，因此中继节点首先从接收信号中收集能量并获得信息，然后利用收集到的能量将信息转发给目标节点。目前已有研究针对此系统提出了两种中继协议:时间切换中继(Time-Switching Relaying，TSR)协议和功率分离(Power-Splitting Relaying，PSR)中继协议。
　　本文主要研究了基于解码转发（Decode-and-Forward，DF）中继的三节点SWIPT系统，其内容主要包括以下两项:
　　1)论文在三节点SWIPT系统中加入了对中继端电路能耗的考虑，分析了在电路能耗存在下的基于TSR和PSR两种协议的系统性能，研究了电路能耗对两种协议下系统性能的影响情况。仿真结果表明，中继端电路能耗会降低SWIPT系统性能;在电路能耗的存在下，系统中能量收集参数会达到一个新的优化值;电路能耗的引入对两种协议最佳吞吐量的交点速率值造成的影响很小，但在较低的传输速率下，电路能耗对TSR协议下系统最佳吞吐量性能的影响程度比PSR协议大。
　　2)论文在保证传输到中继的信号会被中继全部转发的前提下，在PSR协议的基础上提出了速率自适应功率分离中继(Rate Adaptive Power-Splitting Relaying，RAPSR)协议，分析与推导了RAPSR协议下系统中断概率与吞吐量的表达式。研究结果表明，在相同基准速率下，RAPSR协议的最佳吞吐量性能比PSR协议好。

目录

声明

摘要

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要工作及结构

1．3．1 主要工作

1．3．2 文章结构

第二章 无线携能通信系统

2．1 信息接收器与能量接收器

2．1．1 信息接收器

2．1．2 能量接收器

2．2 无线携能通信接收方法

2．2．1 时间切换方法

2．2．2 功率分离方法

2．3 无线携能通信中的中继技术

2．3．1 中继转发策略

2．3．2 中继合作方法

2．4 本章小结

第三章 基于非理想电路能耗的SWIPT系统性能分析

3．1 引言

3．2 系统模型

3．3 非理想电路能耗下基于TSR协议的系统性能分析

3．3．1 TSR协议下能量与信息传输

3．3．2 TSR协议下中断概率与吞吐量

3．4 非理想电路能耗下基于PSR协议的系统性能分析

3．3．1 PSR协议下能量与信息传输

3．3．2 PSR协议下中断概率与吞吐量

3．4 仿真结果及讨论

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 系统模型

4．3 速率自适应功率分离中继(RAPSR)协议

4．4 基于RAPSR的系统性能分析

4．4．1 RAPSR协议下能量与信息传输

4．4．2 RAPSR协议下中断概率与吞吐量

4．5 仿真与讨论

4．6 本章小结

5．1 研究工作总结

5．2 后续工作展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表论文情况