多载波协作通信中无线携能通信优化算法研究

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随着国家对于绿色能源的倡导以及对能源匮乏问题的重视,无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)引起了广泛关注。在以往SWIPT中,大多数现有工作是基于功率分配(Power Splitting,PS)或时隙切换(Time Switching,TS)的方法,这会导致子载波利用率的减少,并且会影响服务质量。本文研究了多载波协作通信中SWIPT算法。本文主要研究内容如下:首先,提出了基于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)的放大转发(Amplify-and-Forward,AF)协作系统中的SWIPT,通过从源节点收集射频(Radio Frequency,RF)能量来节省中继的能量。在第一时隙,中继利用子载波分配方法从源节点接收信息和能量。在第二时隙,中继使用从源节点采集到的能量将信息从源节点转发到目的节点,同时最大化中继传输到自身目的节点的速率。我们提出了一种有效的迭代优化算法,通过拉格朗日对偶分解来解决所提出的优化问题。仿真结果表明,我们的算法相比于PS-SWIPT算法提升了3%,相比于无能量采集情况下的协作通信算法提升了6%左右。其次,提出了基于OFDM的解码转发(Decode-and-Forward,DF)协作系统中的SWIPT。在第一时隙,中继从源节点接收信息和能量。在第二时隙,中继使用从源节点采集到的能量将信息从源节点转发到目的节点,同时最大化中继传输到自身目的节点的速率。我们通过优化信道分配以及功率分配来更好的分配子载波,进而提高在能量收集以及转发速率约束下的中继节点自身的传输速率。仿真结果表明,我们的算法相比于PSSWIPT算法提升了2.3%,相比于没有能量采集的协作通信算法提升了7%左右。最后,提出了一种基于时频块分配的SWIPT(Time-Frequency Block Allocation SWIPT,TFBA-SWIPT)方法。在第一时隙,中继使用TFBA-SWIPT解码信息并从源节点中收集能量。在第二时隙中,中继使用第一时隙中收集的能量将信息从源和自身转发到相应的目的节点。我们进行时频块和功率的联合分配优化,在保证中继的传输速率和能量采集的约束下,最大化源节点相对应目的节点获得的速率。并且把时频块配对算法与时频块功率分配算法相结合,实现了对优化问题的最优解。仿真结果表明,我们的算法相比于未配对的TFBA-SWIPT提升了9%,相比于子载波分配SWIPT算法提升了12%,相比于PS-SWIPT算法提升了16%左右。
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