无线携能通信系统中全双工及中继选择技术性能研究

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近年来无线通信技术在人们的生活中发挥着举足轻重的作用,但随着用户数量的增加,对传输速率、频谱效率的要求变得越来越高。因此如何充分利用频谱资源,在提高频谱利用率的同时确保通信质量成为了关注焦点。全双工(Full-Duplex,FD)技术能够在同一时隙、同一频率上传输信号,相比于半双工在不同时隙传输信号,理论上可以节省一半的传输时间,提高一倍的频谱效率。中继选择技术是在多个中继节点中选取信道容量最大的作为最佳中继,以保证系统性能的最优。该技术可以降低能量损耗和设备复杂度,是均衡可达分集增益和频谱效率的理想方法。作为“绿色通信”重要课题的无线携能通信(Simultaneously Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术,可以在传输信息的同时收集能量,解决了长久以来设备寿命受电池容量制约的问题。因此本文针对SWIPT系统中全双工及中继选择技术做了研究,具体的研究和创新如下:(1)研究了基于SWIPT的半双工放大转发(Amplify-and-Forward,AF)中继选择协议,该协议包括源节点、目的节点和M个可用中继,源节点和目的节点之间存在直达路径。在所有的中继中选取信道容量最大的作为最佳中继,该中继将信号转发给目的节点,源节点也可以直接发送信号到目的节点,目的节点应用最大合并比技术合并两个信号。本文考虑了时间切换中继(Time Switching-based Relaying,TSR)和功率分配中继(Power Splitting-based Relaying,PSR)两种协议,推导了两种协议中断概率和吞吐量的表达式,并运用MATLAB进行了仿真,仿真结果验证了理论分析的准确性。(2)研究了基于SWIPT的非线性能量收集(Energy Harvesting,EH)协议,该协议为全双工解码转发(Decode-and-Forward,DF)三节点模型,源节点与目的节点之间存在直达路径。为了实现频谱效率的提升考虑了全双工系统,并提出了非线性EH协议,该协议比线性协议更符合电路的实际输出特性。本文推导了TSR和PSR两种协议中断概率和吞吐量的表达式,在PSR协议中采用了动态功率分割(Power Splitting,PS)方案,推导了最佳动态PS因子以实现性能的最优。运用MATLAB进行了仿真,仿真结果表明全双工非线性EH协议性能要优于半双工非线性EH协议。
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