存储辅助的无线能量收获网络关键技术研究

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爆发式的移动业务与流量的快速增长,给无线通信技术研究提出了更高的挑战。一方面,如何充分利用和挖掘可用网络资源与信息,设计具有高频谱/能量/成本效率的无线传输技术一直是无线传输理论研究最为核心和关键的问题。另一方面,能量消耗和能量供应也是无线通信系统设计中无法绕开的难题。如何解决无线设备的能量可持续问题、实现可持续的信息传输也是无线传输理论研究中十分重要的问题。
  近年来,存储资源被引入到物理层与传输调度层设计中,而其在降低网络能量消耗、提升网络频谱效率等方面的优势也逐渐被揭示。同时,由于能够给无线设备提供稳定的、持续的能量供应,无线能量收获技术在提升设备使用寿命、实现可持续的无线传输等方面展现了其巨大的潜力,也受到了越来越多的国内外研究学者的关注。本文采用无线能量收获技术解决无线设备的能量供应与能量可持续问题,实现可持续的信息传输,同时充分发掘和利用存储资源在无线网络设计中的价值,针对存储辅助的无线能量收获网络进行深入的研究,旨在实现能量可持续、高效率的无线通信系统。
  为了揭示存储资源在无线传输方案设计和性能提升方面的重要影响,本文首先考虑了存储辅助的多中继网络。已有的研究工作仅考虑单中继选择方案,无法充分利用多个存储辅助的中继节点带来的空间增益,导致可达速率的损失。本文提出了存储辅助的协同中继传输方案,其能够允许多个分布式的中继节点同时以非正交多址的方式转发数据给目的节点。根据数据存储稳定性约束下的可达速率最大化问题,提出了存储能量感知的自适应协同中继传输方案。分析得到了平均传输时延、功率消耗、可达速率之间的折中置换关系,并论证得到存储资源能够以传输时延为代价提升网络频谱效率、降低能量消耗。
  其次,针对无线能量收获网络,分析用户位置分布对于网络传输性能(公平性、吞吐量)的影响,并提出了非正交的无线能量收获传输调度方案。该方案将用户分成干扰组和无干扰组,并允许在干扰组用户执行信息传输的同时以非正交的方式给其余用户供应能量。从网络公平性的角度出发,提出了公平性感知的非正交无线能量收获传输方案,其核心是利用信道条件好的用户抗干扰所带来的额外的收获能量提升差用户的传输速率,从而提升网络公平性。基于顺序统计量理论分析了对应传输性能以及最优的用户分组策略。同时从网络吞吐量的角度,提出了吞吐量最优的非正交无线能量收获传输方案,其核心则是利用“差”用户抗干扰时较小的性能损失带来“好”用户更多的性能增益。
  最后,研究了存储辅助的无线能量收获中继网络。针对单中继网络,提出了存储辅助的时分无线能量收获中继传输方案,并分析得到了可达速率以及最优的时分系数。同时考虑自适应的能量分配、时隙调度问题,提出了最优的自适应存储辅助无线能量收获中继传输方案和存储能量感知的自适应存储辅助无线能量收获中继传输方案,其中后者揭示了存储/能量/信道状态信息在资源分配方案设计中的价值,并分析得到了可达速率与传输时延之间的折中置换关系。
  除此之外,将连续中继协议运用到存储辅助的无线能量收获中继网络中,从而能够进一步提升网络频谱效率。分析了在考虑和不考虑数据存储和能量存储的四种情形下的对应传输方案以及可达速率性能,从而揭示了数据存储和能量存储对于无线传输性能的影响。提出了在保证数据存储稳定性和能量可持续性前提下使得可达速率最大化的自适应资源分配方案,对应的性能分析结果揭示了有限的数据存储和能量存储能够得到保证。
  总之,本文针对存储辅助的无线能量收获网络进行深入的研究,探究了无线能量收获网络中位置分布对网络传输性能的影响以及改善网络公平性的非正交的能量与信息传输方案,揭示存储(包括数据存储和能量存储)对无线传输机制与性能的联合影响,可利用的状态信息(包括能量消耗状态信息、存储状态信息)在资源分配机制设计中的价值,以及存储带来的传输时延、能量消耗、频谱效率之间的折中置换关系。
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