基于能量收集中继网络的优化功率控制及多用户能量协作

摘要

中继技术能够有效地抵抗无线信道衰落，提高系统容量，扩大系统覆盖。基于能量收集的无线中继网络，由于节点具有从周围环境中收集能量的能力，可以克服传统无线传输网络能量受限的瓶颈，并有效地延长网络的生存时间。无线信息与能量的同时传输(SWIPT)，利用射频(RF)信号不仅能传输信息，同时也能传递能量的特性，成为了处理一些无线节点难以供能的新方法。本文主要关注的是SWIPT下基于能量收集的无线中继网络，研究了该网络的优化功率控制及多用户协作问题，主要研究内容如下：
　　（1）SWIPT单向中继系统和双向中继系统的功率控制优化方案。首先，讨论了SWIPT协议下的单向中继和双向中继模型。对于单向中继系统，求得了能够最大化系统吞吐量的最优功率分流比的闭合解。对于非对称双向中继系统，本文提出了一个新的功率分流策略来最大化系统吞吐量。考虑到总发射功率的限制，本文利用凸优化技术研究了一个所有节点间功率分配的半闭合问题。如果中继节点靠近其中一个终端，那么双向中继系统的优化功率分配问题将会退化成单向中继模式。对于对称双向中继系统，求得了一个功率分配的闭合解和功率分流比。对这三个系统的性能进行数值仿真对比，可以看出，相较于没有消耗额外能量的无协作中继方法，提出的功率分配算法可以提升传输速率。
　　（2）考虑了一个无线协作网络的能量协作方案。该方案主要着眼于中继节点在放大转发(AF)模式和解码转发(DF)模式下，在多用户对之间分配收集到能量的能量协作策略。本文首先提出了一个在中继节点无能量协作的最优解，然后确定了一个能量协作优化问题。提出的一个迭代能量协作解决方案可以通过在AF和DF模式下，给各个用户对分配适当的收集到的能量，以达到系统吞吐量的最大化。从提出的方法可以看出，每个迭代的更新都包含了一组有着连续参数的凸问题。求出了这些凸问题闭合的最优解，并且可以看出这些解对局部最优点收敛。仿真结果证明了提出算法的性能要优于传统的无协作方法。

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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 论文主要内容及结构

第2章 能量收集及中继网络

2.1 能量收集技术

2.2 中继网络模型

2.3 协作网络的中继协议

第3章 基于能量收集协作网络的优化功率控制

3.1 系统模型和协议描述

3.2 问题描述和优化解决方案

3.3 仿真结果

3.4 小结

第4章 基于能量收集无线协作网络的多用户能量协作

4.1 系统模型

4.2 问题描述和协作网络中的能量协作

4.3 仿真结果

4.4 小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录A

附录B

附录C

附录D