基于SWIPT的协作NOMA通信系统信息年龄优化策略研究

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近年来,随着5G技术逐渐成熟并得到运用,广泛部署的无线节点对频谱资源的需求急剧增长。非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术有望在实现节点大规模连接的同时,改善频谱效率(Spectral Efficiency,SE),但大量节点存在的“能量空洞”问题仍待解决。携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)作为一种新兴技术,能够在与无线设备进行信息交互的同时,为无线设备提供能量,延长网络寿命,且通常与中继协作技术结合起来,保障通信的及时可靠。另一方面,无人驾驶、远程医疗和应急监测等实时应用得到了快速发展,在这些应用中,只有新鲜、及时的数据才具有实际的应用价值,过时的信息因为不能准确反映当前状态而失去其价值,甚至可能导致错误的控制决策。因此,在对信息新鲜度敏感的能量受限网络中,保证数据传输的时效性和新鲜性十分关键,本文针对基于SWIPT的协作NOMA通信系统的信息年龄(Age of Information,AoI)进行了以下分析和研究:(1)在中继协作网络中,首先针对中继节点能量受限的问题,将SWIPT技术应用于下行的两用户NOMA译码转发(Decode-and-Forward,DF)中继系统中。接着,根据中继节点动态能量水平及能量收集状态,在满足能量和数据因果关系约束下,建立了基于功率分割(Power-Splitting,PS)-DF协议的平均峰值AoI优化问题,并通过解决与其近似的凸优化问题,提出了一种“启发式动态在线更新”传输策略。最后,仿真结果表明,提出的策略能够显著降低系统平均峰值AoI,在能量—速率—AoI之间取得更好的平衡。(2)基于(1),在SWIPT协作NOMA系统中引入了中继决策阈值的概念,与传统无线协作网络中将解码阈值复用作为中继启动的条件不同,本文将中继决策阈值作为中继启动的条件,解码阈值作为信息解码成功的条件。随后,分析了引入中继决策阈值的影响,推导了系统平均峰值AoI的数学表达式,建立了以平均峰值AoI最小化为目标的优化问题,并通过梯度迭代法获得了至少是局部最优解的中继决策阈值。仿真结果表明,结合“启发式动态在线更新”传输策略,中继决策阈值的引入,能够权衡直接链路和中继链路之间的传输关系,存在一个最佳的中继决策阈值,使系统平均峰值AoI进一步降低。最后,本文还仿真分析了系统平均峰值AoI性能与基站输出功率以及能量转换系数的关系,同时将NOMA方案与OMA方案进行了比较。
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