基于多天线无线通信和功率传输系统能效优化研究

摘要

伴随着无线通信技术在人们日常生活中的普及，通信系统中受限的资源已无法满足用户需求，开始影响系统的工作效率。现急需一种高效的资源分配算法，在确保高QOS(Quality of Service)需求和最小信息发送率的同时降低系统链路能耗，提高系统效率。目前已有的资源分配算法多致力于提升系统吞吐量，少有文献研究系统能效。本文针对多天线无线通信和功率传输WIPT(WirelessInformationPower Transfer)系统，为了改善系统能效，研究出高效节能的资源分配算法，主要内容如下。
　　首先，针对单用户多天线WIPT系统，基站端引入了能源波束成形以提高功率的利用率。提出一种有效的IBSA(ImprovedBlockSearch Algorithm)天线选择算法，该算法可快速找到使得系统能效达到最优的天线数。通过分析和证明推导出能效的闭合表达式，通过该表达式得到了系统能效优化问题。采用KKT(Karush Kuhn Tucker)条件对拉格朗日对偶函数求解得到发射功率和转换时间的最优解。
　　其次，针对单用户多天线 WIPT系统，引入了能源收集技术，该技术采用马尔科夫链MC(Markov Chain)模拟离子电池充、放电的过程来实现。提出一种贪婪转换GS(Greedy Switching)策略，通过对该策略的分析计算得到使得系统能效达到最优的中断概率表达式。此外，确保QOS的前提下，结合采用天线选择算法最终实现了改善系统能效的目标。
　　最后，针对多天线WIPT系统，将单用户扩展到多用户系统，提出了一种高效的资源分配方案，该方案中考虑多个用户的接入问题。由于系统中基站与用户间的通信受基站天线数的影响，因此分情况讨论并引出了天线选择和用户选择算法，进一步提出了详细的实现流程。此外，介绍了优化发送功率和功率转换时间的资源分配算法。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究工作

1.4 本文组织结构

第2章 相关技术及理论基础

2.1 多天线技术

2.2 天线选择技术

2.3 能源收集技术

2.4 用户选择技术

2.5 本章小结

第3章 单用户WIPT系统天线选择资源分配研究

3.1 无线通信和功率传输模型

3.2 系统资源分配问题描述

3.3 资源优化分配算法详解

3.4 仿真结果及性能分析

3.5 本章小结

第4章 基于MC链能源收集系统能效优化研究

4.1 无线通信系统模型

4.2 系统优化问题描述

4.3 最优问题分步优化方案

4.4 仿真结果及性能分析

4.5 本章小结

第5章 多用户WIPT系统资源分配研究

5.1 多用户MISO无线通信系统模型

5.2 多用户系统资源分配问题描述

5.3 多用户系统优化问题详解

5.4 仿真结果及性能分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢