基于PS接收机的双向中继网络的传输策略研究

摘要

双向中继网络充分利用时隙资源，在扩大网络覆盖范围的同时能够获得更高的频谱效率，因而受到广泛关注。为解决中继节点公平性及电池容量受限问题，将无线信息与能量同传技术引入到双向中继网络中，利用中继节点从周围环境的射频信号中获取能量，延长节点乃至网络的生存时间。本文面向基于功率分离（Power Splitting,PS）接收机的双向中继网络，对该网络的功率分离因子与两源节点的功率分配问题开展研究，能够为网络设计带来更大的自由度，使网络的中断性能进一步提升，具体工作如下： 针对现有静态对称PS策略未利用中继已知的瞬时信道状态信息（Channel State Information,CSI）的问题，给出一种基于瞬时CSI的动态对称PS策略，通过动态调整PS因子实现信息传输与能量传递的更优折中。结合双向链路CSI的非对称性，进一步给出一种动态非对称PS策略。在等功率分配条件下，以最小化中断概率为优化目标，对所给两种策略中的PS因子优化问题进行讨论。由于该问题非凸，首先将其等价转化为最大化最小信噪比问题，并设计一种基于Dinkelbach方法的优化算法，该算法能够快速收敛并获得最优PS因子。仿真结果表明与静态对称PS策略相比，所给的两种策略可以降低网络的中断概率。 在此基础上，利用中继反馈的瞬时CSI合理地分配两源节点功率，可以进一步提升网络的中断性能，因此本文研究了一种节点功率与PS因子联合分配的动态传输策略。首先，以最小化网络中断概率为目标，以总功率受限为约束建立优化问题；其次，将其等价转化为最小化其中一条链路信噪比的非线性分式规划问题；最后，利用降维以及基于Dinkelbach方法的两步交替迭代算法对最优的节点功率与PS因子进行联合求解，该算法收敛速度快。仿真结果表明与只优化PS因子相比，综合考虑功率与PS因子联合分配的多维动态传输策略可使网络的中断性能得到进一步提升。

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ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主体结构及内容安排

第二章 SWIPT 双向中继网络的理论基础

2.1.1 双向中继网络的两种传输协议

2.1.2 双向中继网络的中继转发协议

2.2 能量收集技术

2.2.1 可再生能源与人造能源的收集技术研究

2.2.2 SWIPT 技术与 WPCN 技术概述

2.2.3 两种常用 SWIPT 接收机架构

2.3 SWIPT 双向中继网络中的资源分配

2.3.1 功率分配方案的研究

2.3.2 PS 因子优化设计的研究

2.4 本章小结

第三章 SWIPT 双向中继网络的动态 PS 策略

3.2.1 系统模型

3.2.2 采用对称 PS 因子的动态传输策略

3.2.3 采用非对称 PS 因子的动态传输策略

3.3 动态 PS 因子的优化设计

3.3.1 动态对称 PS 因子的优化设计

3.3.2 动态非对称 PS 因子的优化设计

3.4 仿真结果

3.5 本章小结

第四章 SWIPT 双向中继网络的功率与 PS 因子联合分配的动态传输策略

4.2 功率与 PS 因子的联合优化设计

4.2.1 功率与对称 PS 因子的联合优化设计

4.2.2 功率与非对称 PS 因子的联合优化设计

4.3 仿真结果

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.2 进一步的研究方向

参考文献

致谢

作者简介

附录