面向多天线信息与能量同传系统的收发机设计方法研究

摘要

近年来，基于能量收集的通信系统受到了学术界的广泛关注，这种系统可以利用无线电波同时进行信息与能量的传输。针对为无线通信系统提供高效持久的能量供应这一重要问题，该技术提供了一种有效的解决方案。因此，学术界对信息与能量同传技术展开了深入的研究，这也为无线传输方案以及策略的设计和分析带来了新的可能和挑战。本文结合全双工技术和云接入网技术研究了多种多天线信息与能量同传系统中的收发机设计算法。其中，全双工技术是下一代无线移动通信系统中的一种强大有效的技术，相比于传统的半双工传输技术，全双工技术可以使得结点能够同时同频进行信息的发送和接收，并以此获得更好的频谱效率。而云接入网是一种新型的网络架构，可以通过提升频谱和能量效率来满足用户对信息传输速率和传输质量的更高需求。
　　本研究主要内容包括：⑴在多用户多输入单输出（MISO）干扰系统中，论文结合信息与能量同传研究了相应的收发机设计算法。在该系统中，接收端收到的信号可以分成两部分，一部分用于信息解调，另一部分用于能量收集。本文的目标是在接收端信干噪比和能量收集约束下，通过联合设计发送波束成型向量和接收端功率分裂因子来最小化系统的总传输功率。大多数考虑此类问题的文章中均假设信道环境是理想的，但是在实际系统中信道误差是难以避免的。因此，论文考虑了该系统中的鲁棒收发机设计算法，并假设信道响应满足范数约束误差模型。⑵研究了面向信息能量同传的收发机设计算法。假设发送端和中继节点都配置有多根天线，而接收端只配置有一根天线，研究了该系统中的联合收发机设计问题。本论文的主要目标是在信干噪比和能量收集约束下，通过联合设计发送端波束成型向量，中继处理矩阵和接收端功率分裂因子来最小化发送端和中继的总发送功率。论文利用轮换寻优思想和交换中继思想分别提出了相应的非鲁棒算法和鲁棒算法。⑶研究了结合全双工技术和信息能量同传技术的收发机设计算法。为了对系统中的复杂干扰信号进行缓解和利用，论文考虑了通信系统中两种重要的效用问题，即功率最小化问题和速率最大化问题。针对这两种优化问题，论文分别提出了相应的基于轮换寻优的算法和基于固定波束成型器（最大比传输波束成型器和最大信漏比波束成型器）的简化算法。⑷研究了全双工云接入网系统中面向信息能量同传的收发机设计算法。在该系统中，一组工作在全双工模式的远端无线单元在接收上行链路用户信息的同时，也发送信息和能量给下行链路用户，其中下行链路用户配置有功率分裂接收机，可以实现信息与能量同传。论文的目标是在上下行服务质量和能量收集的约束下，最小化系统的总能耗。由于优化问题中发送端波束成型向量，上行链路发送功率和下行链路功率分裂因子都耦合在一起，因此非常难解。论文提供了三种不同的途径来求解该联合收发机设计问题，并得到了相应的算法。

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第一章 绪论

1.2 研究热点

1.3 论文主要内容和结构安排

第二章 多用户MISO干扰系统下的SWIPT技术研究

2.3 信道模型

2.4 优化问题描述

2.5 基于半正定松弛和S-程序的收发机设计算法

2.6 基于SOCP松弛和柯西施瓦茨不等式的收发机设计算法

2.7 基于凹凸规划技术的收发机设计算法

2.8 算法复杂度分析

2.9 仿真结果与分析

2.10 本章小结

第三章 多用户MISO中继系统中的SWIPT技术研究

3.2 系统模型

3.3 信道模型

3.4 优化问题描述

3.5 基于轮换寻优思想的算法

3.6 基于交换中继思想的算法

3.7 算法复杂度分析

3.8 仿真结果与分析

3.9 本章小结

第四章 全双工MIMO干扰系统下的SWIPT技术研究

4.2 系统模型

4.3 优化问题描述

4.4 功率最小化问题下的收发机设计算法

4.5 速率最大化问题下的收发机设计算法

4.6 仿真结果与分析

4.7 本章小结

第五章 全双工云接入网系统中的SWIPT技术研究

5.2 系统模型

5.3 优化问题描述

5.4 基于轮换寻优的算法

5.5 基于凹凸规划的算法

5.6 低复杂度简化算法

5.7 仿真结果与分析

5.8 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录A―引理3的证明

附录B―引理4的证明

附录C―基于随机化处理的秩一解恢复算法

附录D―引理6的证明

附录E―引理8的证明

附录F―映射连续性证明

攻读博士学位期间主要研究成果及参与的科研项目