无线中继系统中的能效优化研究

摘要

能量效率已经成为第5代(5G，5th generation)移动通信网络的关键指标之一。随着未来无线网络中用户数量的剧增以及用户形态和业务需求的变化，能耗的压力会越来越大。而随着物联网和机器类通讯的发展，用户之间的中继协作会成为用户的常态行为。因此无线中继技术在未来无线网络中将会获得更加广泛的应用，与中继系统相关的能效优化技术也会具有持久的研究需求。
　　本文关注了中继系统节能问题当中的三项基本问题:谱效与能效的关系问题、业务质量与能效的关系问题，干扰与能效的关系问题。本文将这三项基础问题分别与无线中继的三种工作模式相结合:两跳中继、增量中继和双向中继，设定了一些未来通信网络最关注的应用场景，在其中研究解决了若干能效优化问题。本文选择了如下三项内容作为研究点。
　　本文首先研究了一种利用再生能源供电的中继系统以及相关的能效优化方法;提出了一种将可再生能源产生的电能与来自于传统石化能源的电能相区分的能效度量准则;基于该准则以及香农公式所描述的能效-谱效的关系，在综合考虑各节点设备能耗的基础上，根据两跳链路之间的速率上的关联性和中继节点的能量约束，采用凸优化方法求解了源节点能效最优的瞬时速率，进而得出能效最优的功率控制方法和设备微休眠管理策略。在满足业务速率需求的同时，实现了绿色能源供电的中继节点帮助传统能源供电的源节点提高能效的目的。
　　本文研究了增量中继系统在中继节点能量受限条件下采用自动重传机制协助源节点提高能量效率的方法。提出了一种基于数据包传输差错率的能效度量，建立了能效与误包率这一关键业务质量参数之间的关系表达式。通过分析误包率与能效的关系，确定了增量系统中源节点和中继节点的最优发射功率，优化了中继节点协助源节点的差错重传机制，使得中继节点协助传输的频次与其收集能量的速度相匹配，从而更有效的发挥增量中继作用，使得中继节点在能量受限的条件下依然可以稳定地协助源节点提高能效。
　　本文研究了基于物理层网络编码的双向中继系统在最低速率约束下的能效优化问题。由于双向中继将两路互相干扰的信号耦合在一起，造成了能效函数的非凸特性。本工作通过引入松弛变量的方法，将该优化问题简化并分解成一项凸优化子问题和一个凹凸分式规划子问题。通过对这两项子问题的求解获得了最优的双向中继功率控制方案以及最佳能效。
　　以上研究覆盖了中继能效化中的谱效-能效、服务质量-能效、干扰-能效三项重要的基础关系问题，并结合具体的应用场景和新型能源应用，定义了基于能量类型的能效度量准则和基于包传输的能效度量准则，提出了两跳中继系统、增量中继系统和双向中继系统中的以能效最优为目标的功率控制方法和设备微休眠管理方法。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 无线中继介绍

1．2．1．无线中继基本模型

1．2．2．无线中继工作模式

1．2．3．双向无线中继

1．2．4．无线中继的标准化

1．3 无线中继与能效优化

1．4 论文主要内容及结构

1．4．1．研究内容和贡献

1．4．2．本文的结构

第2章 无线中继系统的能效优化机理与研究进展

2．1 引言

2．2 能效优化机理

2．2．1．能耗模型

2．2．2．能效的度量

2．2．3．能效与谱效的关系

2．2．4．单跳链路的能效优化机理

2．3 中继系统的能效优化

2．3．1．中继系统的能效优化机理

2．3．2．中继系统能效优化技术进展

2．3．3．基于能量收集的中继技术

2．3．4．基于增量中继的能效优化

2．3．5．双向中继的能效优化

2．4 本章小结

第3章 中继能量受限条件下无线中继系统的能效优化

3．1 引言

3．2 系统模型

3．3 问题求解的数学证明

3．4 能效优化算法

3．5 仿真与数值结果

3．5．1．基线策略

3．5．2．仿真设置

3．5．3．仿真结果分析

3．6 本章小结

第4章 增量中继系统中基于自动重传机制的能效优化

4．1 引言

4．2 中继中的自动重传

4．3 问题描述

4．3．1．直达链路能效分析

4．3．2．增量中继链路的能效分析

4．3．3．仿真分析

4．4 本章小结

第5章 双向中继系统的能效优化方法

5．1 引言

5．2 系统模型与问题描述

5．2．1．系统模型

5．2．2．双向中继的能效优化问题描述

5．2．3．双向中继的端到端信噪比

5．3 能效优化问题求解

5．3．1．子问题1求解

5．3．2．子问题2求解

5．4 仿真与数值结果

5．5 本章小结

第6章 结束语

6．1 工作总结

6．2 未来研究展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢