能量采集无线中继网络功率分配算法研究

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在无线通信系统中,能量采集技术可以从周围环境源源不断的采集能量,从而延长设备的生命周期,提高了无线网络的性能。另外中继技术通过在基站和移动台引入协作节点,扩展了通信距离、提高了无线通信系统的保障能力,有效降低通信成本。因此对能量采集无线中继网络中的资源分配问题进行研究非常重要。本文对能量采集无线中继网络资源分配算法进行了研究,分别考虑了能量采集技术与中继、认知无线电、能量协作、OFDM等技术相结合场景下的资源分配问题。本文主要的研究内容及创新点如下:(1)针对单中继能量采集无线网络,提出了一种基于最少传输时间的功率分配算法。该算法考虑使用能量采集技术提供能量的DF中继,根据各时隙源节点、中继节点排队数据量和可以利用的采集能量的大小,在满足到达数据和采集能量的因果性限制条件下,以最小化数据总的传输时间为目标,对源节点和中继节点各个时隙的发送功率进行优化。仿真结果表明,该算法可在最短时间内把数据由源节点传输到目的节点。(2)针对认知能量采集无线网络,提出了一种基于系统吞吐量最大化的资源分配算法。该算法在满足两个次用户节点采集能量的因果性限制和对主用户干扰限制的条件下,构建了系统吞吐量的优化模型;通过变量代换和问题等价性变换,将各节点的功率和协作能量联合优化问题解耦为分离的功率分配问题和逐个时隙的协作能量求解问题,而原问题的最优解则通过迭代求解分离的两个问题来获得。仿真结果表明,在两个节点采集能量总量差距较大时,能量协作可以显著提高系统吞吐量。(3)针对基于能量协作的双向认知无线中继网络,提出了一种基于系统吞吐量最大化的资源分配算法。该算法在满足两次用户和中继节点采集能量的因果性限制和对主用户干扰限制的条件下,构建了系统吞吐量的优化模型,并且证明了该优化问题为凸优化问题;通过问题等价性变换,将各节点的功率和协作能量联合优化问题解耦为分离的功率分配问题和逐个时隙的协作能量求解问题。解耦后的功率分配问题采用迭代注水算法解决,而逐个时隙的协作能量求解问题,通过求微分的方式解决。(4)针对信息和能量同时传输的OFDM中继网络,提出了一种基于系统吞吐量最大化的资源分配算法。该算法在满足源节点峰值功率限制、各子载波峰值功率限制和中继节点能量因果性限制的条件下,构建了系统吞吐量的优化模型。在源节点子载波分配策略给定的情况下,给出并证明了原问题需满足的最优准则;通过设置源节点能量传输的总功率,将原问题解耦为两个分离的吞吐量最大化子问题,解耦后的子问题采用注水的方式求解。最后,本文提出了四种子载波分配方案,分别为能量优先方案、信息优先方案、均衡分配方案和穷举方案。仿真结果表明,能量优先方案可以显著降低计算复杂度,并实现近似穷举方案的系统性能。
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