基于能量收集的协作中继网中的能量分配研究

摘要

无线中继与协作技术能够有效地抵抗路径损耗和多径衰落，拓展传输范围、提高传输速率、节约传输能量。无线信息与能量协同传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)技术，即利用射频信号能够同时携带信息与能量的特征，实现端到端的信息与能量协同传输的技术。基于能量收集的协作网络，由于节点可以从周围环境中收集能量，能够有效的提高系统的生存时间，并且避免了传统无线设备需要更换电池或者电力供应的缺点。所以，结合无线协作和能量收集的优点，将SWIPT应用到无线协作网络中，已然成为新的研究热点。本文关注的是基于能量收集的无线协作网络，研究了该网络的功率控制优化和能量传输分配问题，主要内容如下：
　　(1) SWIPT协议下的双向中继网络在三时隙和两时隙的传输模式下的功率控制优化策略。对于三时隙的中继网络，根据两跳链路的速率相等时系统总速率最大的结论，在两跳链路信道增益大小不同的情况下，求解得到使得系统实现最大吞吐量下的最优功率分流比的闭式解。对于两时隙的中继网络，同样利用两跳网络的结论，根据两跳链路的信道增益大小关系，亦给出了使得系统速率最大的最优功率分流比。最后仿真对比了两种系统模型的性能，仿真结果表明：中继位置对于系统的性能有直接影响，当中继位于源节点和目标节点的中间位置时，存在三时隙双向中继系统性能比两时隙更好的情况。
　　(2)提出了一种在无线协作网络模型中的基于时隙的功率分配策略，该模型中用户从能量接入点收集的能量可以直接用来发送自身的信息到数据接入点。本文的研究目标是在满足用户信息传输链路的最低速率需求下最小化能量接入点发送给用户能量。本文首先提出了一种因果控制时隙的能量传输策略，在只考虑用户受限速率和联合受限速率与电池容量的两种情况下，利用阶梯注水的算法求得了系统在每时隙上的能量分配策略。最后对提出的算法进行了仿真验证，结果表明：同等的速率受限下，本文提出的算法比采用随机的能量分配方案系统消耗的能量更少。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 能量收集及能量分配的研究现状

1.2.2 协作中继网络及无线信息和能量协同传输(SWIPT)的研究现状

1.3 本文主体结构及内容安排

第2章 基于能量收集的协作通信关键技术

2.1 能量收集概述

2.1.1 太阳能收集

2.1.2 风能收集

2.1.3 振动能量收集技术

2.1.4 射频能量收集

2.1.5 无线信息与能量的协同传输(SWIPT)

2.2 中继网络系统

2.2.1 单向中继网络模型

2.2.1 双向中继网络模型

2.3 中继网络的协作协议

2.3.1 AF协议的双向中继

2.3.2 DF协议的双向中继

第3章 基于能量收集的双向中继网络的功率优化

3.1 系统模型和传输协议

3.1.1 三时隙下的双向中继系统模型

3.1.2 两时隙下的双向中继系统模型

3.2问题描述和优化解决方案

3.2.1 三时隙下的双向中继系统的问题描述和优化解决方案

3.2.2 两时隙下的双向中继系统的问题描述和优化解决方案

3.3 仿真结果

3.4 本章小结

第4章 基于能量收集的绿色通信系统的能量分配研究

4.1 系统模型

4.2 问题描述和优化解决方案

4.2.1 只满足受限速率的约束条件下的目标问题

4.2.2 仿真结果

4.2.3 联合满足受限速率和电池容量约束下的目标问题

4.2.4 仿真结果

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 展望

致谢

参考文献