能量采集分布式MIMO无线传输方法研究

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随着5G的逐步应用与发展,移动用户和移动设备数量的急剧增加,能耗问题将一直存在并且形势日益严峻。绿色通信受到越来越多的关注,能量效率(EE)指标因此成为衡量通信系统越来越重要的指标。一方面,能量采集技术通过向环境采集可再生能源,是实现绿色通信的一种解决方案。可再生能源与传统的不可再生能源的主要区别在于其功率是时变的,且大多数情况下存储容量是有限的,因此,需要重新考虑所有现有无线通信系统中的功率管理策略。另一方面,分布式系统具有较高的频谱效率和能量效率,也是实现绿色通信的一种具有潜力的技术解决方案。论文主要研究了三种分布式下行系统的节能传输策略,分别是混合供能的OFDMA下行系统,基于能量协作的混合供能分布式下行系统,和基于无线携能通信(SWIPT)的分布式多输入单输出(MISO)系统。首先,介绍了无线通信信道和分布式MIMO技术的基础理论,对能量采集技术进行了简要概述。研究了接收端能量采集技术的采集能量线性和非线性模型,并以典型的SWIPT系统的优化问题,通过仿真比较了两种模型。此外,还介绍了三种预编码技术,作为后续研究的基础。接着,针对基于混合供能的分布式天线正交频分接入(OFDMA)系统,提出了一种资源分配方案。此方案基于焦耳/比特最小化(即能效最大化)准则,同时考虑系统的服务质量(QoS)和误码率约束,进行子载波分配和功率分配的联合优化。由于二进制子载波分配变量的存在,该优化问题是一个0-1混合整数非线性规划问题。为了解决此问题,基于拉格朗日松弛法和分式规划,设计了一种双层迭代的算法,该算法在迭代中联合优化功率和子载波分配。仿真结果表明,该算法具有较快的收敛速度,且在考虑能量采集的情况下,系统能效可以显著提高。然后,研究了多用户下行混合供能分布式天线系统(DAS)中的联合功率分配和能量协作问题。基于三种不同类型的预编码方案(迫零、一般波束形成和共轭波束形成),研究了能量效率最大化问题。对于消除了用户干扰的迫零预编码,应用分式规划将优化问题转化为凸问题,提出了一种处理分式目标函数的迭代算法。针对带用户干扰的一般波束形成问题,以最大比传输(MRT)为例,采用基于凸差分(DC)规划的变换逼近方法,将问题转化为凸问题。此外,对于共轭波束形成,首先将二次型的信干噪比(SINR)转化为可处理的形式,然后相似地应用凸差分规划,将问题转化为凸问题。针对一般波束形成和共轭波束形成这两种预编码方案,提出了一种双层循环算法。该算法内循环采用分式规划,外循环采用凸差分规划。仿真结果表明,该策略能显著提高系统能效,也说明能量协作有助于提高能效。此外,在高噪声环境下,迫零预编码在小噪声方差下能获得较好的能效,而在高噪声环境下,共轭波束形成则有更好的能效。最后,研究了分布式MISO系统中的联合波束形成和功率分配因子优化问题。基于无线能量传输低效性的事实,假设所有的用户设备(UE)都执行数据传输,而只有具有足够大的衰落的UE(定义为SWIPT UE)才能同时进行能量采集。在考虑远端天线单元(RAU)选择的前提下,形成了最小化系统总功耗问题,并满足QoS约束和最小采集功率约束。首先,根据大尺度衰落,将UE分为两类。然后,对于理想信道状态信息(CSI),通过将RAU模式索引函数转化为重新加权的?1范数,接着采用半定松弛(SDR)方法,提出了一种迭代算法。此外,还考虑了非理想信道的优化问题。为了保证秩一约束,提出了一种基于罚函数的迭代方法。仿真结果表明,所提出的RAU选择算法可以显著降低系统总功耗,同时也显示了最接近SWIPT UE的RAU通常是活跃的。
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