基于能量收集的分布式基站系统能量调度与射频远端选择研究

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随着无线通信业务量的激增,能源短缺问题日益严峻,如何利用有限的能源实现可靠的通信服务逐渐成为未来无线通信网络发展的关键问题。能量收集技术通过收集环境中的太阳能、风能、射频能等,使无线通信系统的可持续自我电力供应成为可能,缓解了无线网络的能源消耗压力。此外,分布式基站系统可以通过部署远程射频单元提高无线网络的覆盖区域、传输容量等通信性能,是无线通信网络在今后的一个重要发展方向以及B5G、6G的关键技术。因此,将能量收集技术与分布式基站系统相结合的能量收集分布式基站系统(Energy Harvesting Distributed Base-Station System,EH-DBS)极具前景。本文建立了不依赖电网以及其他形式的外部能源,由基带处理子系统、能量子系统以及射频远端子系统构成的自维持能量收集分布式基站系统,分别在普通通信场景以及物理层安全通信场景中研究了自维持能量收集分布式基站系统如何利用自身收集的能量进行功率分配以及选取射频远端单元(Remote Radio Frequency Unit,RRFU)的算法,具体如下:(1)基于普通场景中建立了自维持能量收集分布式基站系统模型,以最大化信息传输速率为目标形成了覆盖波束赋形、能量共享、功率分配的联合优化问题,并针对能量收集情况不可控,提出了能量部分共享或能量完全共享策略,在此基础上分别对问题进行了数学分析,推导得到了系统射频远端最优的功率分配策略,从而归纳出所述系统模型下行链路的射频远端选择算法。最后,基于本文模型与算法开展了蒙特卡洛仿真,并与文献算法进行了对比。仿真结果表明,所提算法在平均信道容量和平均能量效率上具有良好的性能,对于实现绿色通信具有积极意义。(2)在物理层安全通信场景建立了基于下行链路物理层安全传输的自维持能量收集分布式基站系统模型,将射频远端区分为传输安全信号给合法用户的安全RRFU和发射人工噪声干扰窃听用户的友好协作RRFU,形成了以最大化系统安全信息传输速率为目标的能量共享、功率分配、人工噪声联合优化问题。通过数学分析和求解,获得了物理层安全通信场景中EH-DBS采取能量部分共享或能量完全共享的条件、RRFU的最优功率分配,进而形成了基于下行链路物理层安全传输的射频远端选择算法。最后,开展了蒙特卡罗仿真。仿真结果验证了模型的有效性,且仿真结果表明所提算法在安全信息速率和安全能效上具有良好的性能。
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