416 浏览面向物联网的可持续无线通信关键技术研究
摘要：随着近年来通信技术的飞速发展,物联网（Internet of Things,Io T）已经成为新一代通信技术的重要应用。然而,物联网中的可持续无线通信面临着严峻的能量供应和节能需求问题:第一,无线通信的网络已经占用了很多频谱资源,造成无线能量传输（Wireless Power Transfer,WPT）频谱稀缺;第二,由于大部分物联网无线设备的能量十分有限,需要提高设备的能量效率来达到节能需求;第三,由于无线能量传输的效率比较低,导致其供能覆盖的范围比较小,应用部署受限。为了解决上述可持续无线通信存在的问题,本文从供能和节能,以及两者相结合三个方面,研究了利用认知无线电（Cognitive Radio,CR）频谱共享技术的无线供能系统,无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）辅助的分布式波束成形数据采集系统,以及无人机辅助的无线供能通信网络（Wireless Powered Communication Network,WPCN）。具体的主要研究内容如下:（1）首先,本文从无线供能的角度,研究一种基于多载波信道的认知多天线无线能量传输系统以提高能量效率。该系统与主无线信息传输系统共享同一频谱。通过控制在子载波上传输的能量波束成形,次能量发射机可以直接给次能量接收机充电,甚至故意干扰主无线信息传输系统,使得主信息发射机反应性地调整其功率分配（基于注水功率分配）,从而促进次能量接收机的能量收集。本文探索次无线能量传输系统如何利用主无线信息传输系统的自适应功率分配以提高无线能量采集性能。该系统的研究目标是,在符合次能量发射机最大传输功率和主信息接收器的最大干扰功率限制的前提下,通过优化次能量发射机在子载波上的能量波束成形,最大化次能量接收机收到来自主信息发射机和次能量发射机的总能量。该问题是非凸的,通常很难得到最优解。本文通过拉格朗日对偶法、椭球法和一维搜索获得了高质量的次优解。作为对比,本文还提出了基于迫零和最大比传输技术的两种波形设计,以及未考虑主无线信息传输系统反应的传统设计。数值仿真结果表明,与这些基准方案相比,所提出的设计可显著提高次能量接收机收集到来自主信息发射机和次能量发射机的总能量。因此,该设计能合理利用现有的频谱资源,更好地为无线通信设备供能,增强无线通信的可持续性。（2）然后,本文从节能的角度,研究一个能量高效的无人机辅助的分布式波束成形数据采集系统。本文提出一种新型的无人机无线传感器网络,在该网络中,地面节点采用分布式波束成形技术联合向空中的无人机发送数据。该系统考虑延迟容忍和延迟敏感两种应用场景,其中,地面节点分别通过自适应速率和固定速率传输向无人机发送或共享共同消息。在这两种情况下,根据无人机的飞行速度约束和地面节点的单个平均功率约束,联合优化无人机的轨迹和地面节点的发射功率分配,分别最大化平均数据速率吞吐量和最小化传输中断概率。然而,这两个问题都是非凸的,通常很难得到最优解决方案。为了解决这一问题,首先考虑了理想情况下不考虑飞行速度约束的松弛问题,构造出最优解,揭示了无人机的基本性能上界。结果表明,对于这两个近似的问题,最优轨迹具有相同的多位置悬停结构,但具有不同的最优功率分配策略。其次,针对无人机飞行速度受限的一般问题,提出了利用基于凸优化和近似技术的连续迭代方法获得高质量解的有效算法。最后,数值仿真结果表明,在两种场景下,相比于其他基准方案,本文所提出的设计有更高的数据速率吞吐量和更低的中断概率。当任务周期足够长时,本文的设计接近忽略无人机飞行速度约束的性能上界。因此,该设计能提高地面节点传送数据的能量效率,增强无线通信的可持续性。（3）最后,本文同时考虑能量供应和节能需求,研究一个无人机与分布式波束成形相结合的无线供能通信网络。该网络中,无人机给地面上的多簇节点供能,而地面的每簇节点则用收集到的能量通过分布式波束成形向无人机发送数据。在延迟容忍应用场景下,根据无人机飞行速度约束和地面节点中性能量约束,联合优化无人机轨迹设计和地面节点的资源分配,最大化所有簇的共同平均数据速率吞吐量。虽然问题是非凸的,且很难得到最优解,但同样可以利用凸优化和近似技术可以获得性能上界和高质量的次优解。同时,本文给出了三种直观的设计方案,并可作为提出算法的迭代初始点。数值仿真结果表明,与这些初始点设计方案相比,所提出的设计可以带来更高的共同平均数据速率吞吐量。因此,该设计不仅能高效地为地面节点供能,还能提高地面节点传送数据的能量效率,增强无线通信的可持续性。综上所述,为了实现可持续的无线通信,本文在物联网的供能和节能两方面提出了有效的方法。希望本文的研究成果能够为支持物联网在更大范围内的可持续运行提供有用的解决方案。
关键词：无线能量传输;无人机通信;
文章目录
摘要
ABSTRACT
专业名词对应表
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 国内外相关研究现状
1.2.1 无线能量传输及其应用
1.2.2 物联网节能研究
1.2.3 无人机通信
1.3 论文主要研究内容及章节安排
1.4 本章小结
第二章 存在自适应主通信用户的认知无线能量传输
2.1 引言
2.2 系统模型和问题的定义
2.3 能量接收最大化问题的求解
2.3.1 注水水位的可行区域的求解
2.3.2 波束成形矢量的求解
2.4 基准方案
2.4.1 迫零能量波束成形
2.4.2 最大比传输能量波束成形
2.4.3 不考虑主系统反应的能量波束成形设计
2.5 数值仿真结果
2.6 本章小结
第三章 无人机辅助的分布式波束成形数据采集
3.1 引言
3.2 系统模型和问题的定义
3.2.1 延迟容忍应用场景
3.2.2 延迟敏感应用场景
3.3 平均数据速率吞吐量最大化问题的求解
3.3.1 松弛问题的求解
3.3.2 对原问题提出的求解
3.4 中断概率最小化问题的求解
3.4.1 松弛问题的求解
3.4.2 对原问题提出的求解
3.5 数值仿真结果
3.5.1 延迟容忍应用场景
3.5.2 延迟敏感应用场景
3.6 本章小结
第四章 无人机辅助的无线供能通信网络
4.1 引言
4.2 系统模型和问题定义
4.3 共同平均数据速率吞吐量最大化问题的求解
4.3.1 松弛问题的求解
4.3.2 对原问题提出的求解
4.4 数值仿真结果
4.5 本章小结
结论与展望
参考文献
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