【摘 要】
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随着无线通信技术的快速发展,无线网络传输能耗明显增大,这使得无线网络的传输能量效率优化变得尤为重要。近年来,由于无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术可利用无线射频信号同时实现无线传能及信息传输,因此持续受到研发人员的广泛关注。大量研究将SWIPT技术应用于无线网络以优化其传输能效。然而,在现有相关研
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随着无线通信技术的快速发展,无线网络传输能耗明显增大,这使得无线网络的传输能量效率优化变得尤为重要。近年来,由于无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术可利用无线射频信号同时实现无线传能及信息传输,因此持续受到研发人员的广泛关注。大量研究将SWIPT技术应用于无线网络以优化其传输能效。然而,在现有相关研究中,支持SWIPT技术的接收端电路多采用离散功分器以实现接收信号功率分割。而这一实际工程限制在相应传输能效优化理论分析引入了离散的功分变量,增大了优化难度,影响了优化效果。针对以上问题,本文开展了基于功率分割的无线中继网络传输能效优化技术研究工作,主要研究内容如下:首先,本文提出并分析了基于SWIPT的单中继网络模型和传输模型。在此基础上,以最大传输能效为目标,以发射功率和功率分割比为变量,以能量收集、发射功率上限和数据传输速率为约束,建立了能效优化问题。另外,利用分数规划方法将非凸目标函数转换为减法形式,并基于凸优化基本理论实现了原问题的凸转化;提出了一种迭代优化算法,并推导了对偶分解算法中的迭代变量表达式,实现了问题的求解。其次,针对离散功分器对传输能效优化效果造成的影响,深入研究了基于离散功分比的携能传输能效优化问题及其求解方案。利用变量扩维方法将每种功分比视作一种功率分割模式,从而将离散优化问题分解为多个连续域子问题,并通过边际收益实现问题求解。通过分析离散功分器及其S参数,从能效优化和工程适用性角度阐明了离散功分器存在的缺点,探讨了在携能中继网络中应用连续功分器可能带来的能效增益。最后,针对离散功分器在传输能效优化中的不足,设计了一种基于微带传输线和可调枝节的连续功分器,可实现功分比任意调整。在验证了连续功分电路可行性后,进一步研究了基于连续功分比的携能传输能效优化问题。利用凸转换将该问题转换为便于求解的凸优化问题,针对优化问题的凸性,使用拉格朗日对偶分解法求解最优的发射功率和接收能量分配,实现了传输能效优化。另外,通过对比实验,验证了基于连续功分比的优化方案在传输能效优化方面的优越性。
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