基于射频能量收集的协作中继技术研究

摘要

近年来，射频能量收集技术已经逐步成熟并走向应用，关于该项技术的进一步研究也已经拓展到其他诸多技术领域。其中，基于射频能量收集的中继技术集成了协作中继和射频能量收集两项技术的优势，是实现未来高可靠、高覆盖、绿色可持续通信的关键技术之一。 基于射频能量收集的协作中继技术不仅具备两项前身技术的优势，更能够实现两项技术的相互填补。一方面，混合型中继协作能够在蜂窝网络中为距离基站较远的用户提供更加有效的无线能量传输和更加可靠的协作信息传输，从而解决射频能量收集技术在蜂窝网络中应用时遇到的双重远近问题。然而，也正是由于混合型中继同时提供信息转发和能量供给，对于多中继场景，用户在选择中继节点时该如何在能量与信息之间权衡成为一个有待研究的问题。另一方面，射频能量收集中继协作能够以源节点向中继节点传输能量的方式激励协作行为，从而解决自组织通信网络中移动节点为了避免额外能量消耗不愿意担任中继的问题。然而，在射频能量收集中继网络中，能量传输过程势必会占用原本用于信息传输的网络资源，因此如何分配有限的网络资源来最大化通信性能是基于射频能量收集的协作中继技术中另一个亟待解决的问题。 针对上述问题，本文围绕基于射频能量收集的协作中继技术展开以下研究： 1、混合型中继协作下的中继选择策略研究 本文在混合型中继网络中提出了一种两步式中继选择策略，该策略能够在保障当前时刻信息传输质量的基础上最大化源节点收集到的能量。针对所提策略的具体实现，提出了一种低开销的分布式实现方案。进一步，为了衡量所提策略的性能，推导了网络中断概率的闭式解和网络分集增益，结果表明所提策略能够取得网络满分集增益。最后，数值仿真证明了在混合型中继网络中，所提策略相比传统最优的最大最小信噪比策略能够取得更高的网络性能。 2、射频能量收集中继协作下基于时间切换的中继协议研究 本文在射频能量收集中继网络中提出了一种基于时间切换的自适应中继协议，该协议根据网络信道状态和能量状态动态联合地分配中继发射功率和网络时间资源。进一步，通过建模求解最大化网络长期吞吐量为目标的优化问题，得到最优的中继发射功率和时间切换因子的解析形式。结果表明，当网络状态满足三种具体条件时，网络的一整个时隙应当主动用于中继收集能量。最后，数值仿真验证了所提协议比现有协议能够取得更优的网络性能，并分析了网络参数对性能的影响。

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