【摘要】：隨著智能手機、平板電腦等設備的普及以及物聯網的逐漸成熟,人們的生活工作中涌現出越來越多的無線通信設備。由于這類設備的電池電量有限,無線通信網絡的用戶體驗和服務質量(Quality of Service,QoS)難以得到長期穩(wěn)定的保障,甚至會因設備電量耗盡但無法更換電池而導致網絡失能。為此,學術界和工業(yè)界相繼提出了無線供電通信網絡(Wireless powered communication network,WPCN)的概念:采用基于射頻的無線能量傳輸技術為無線通信設備遠距離補充電能。WPCN雖然擺脫了電池電量受限的困境,但也面臨著諸多技術挑戰(zhàn),主要有:1)能量供需分布失衡,導致部分用戶能量不足而無法保障QoS,另一部分用戶能量過剩而造成浪費;2)高能量損耗,包括能量傳輸和數據傳輸的雙重傳播損耗,以及用戶捕獲能量時的射頻-直流轉換損耗;3)能量傳輸與數據傳輸對時間、頻譜和功率三種資源的需求存在差異,網絡QoS保障與節(jié)能是一對矛盾。本學位論文針對WPCN的主要應用場景,研究應對上述挑戰(zhàn)的QoS保障和節(jié)能技術。針對面向時延敏感業(yè)務的WPCN,研究基于多跳傳輸的跨層控制策略以及用戶調度方案。為應對能量供需失衡所導致的高等待時延,提出自適應捕獲再協作(Adaptive harvest-then-cooperate,AHC)協議:每個用戶先捕獲來自能量供給與信息收發(fā)混合接入點(Hybrid access point,HAP)的能量,再直接向HAP發(fā)送或由其它用戶轉發(fā)數據;HAP根據全網能量分布和數據傳輸負載分布,做出由物理層發(fā)射功率和網絡層路由拓撲組成的決策。為避免中繼用戶的數據隊列因接收其它用戶數據而溢出,提出一種與AHC協議適配的調度方案。為降低平均等待時延,利用馬爾科夫決策過程(Markovdecisionprocess,MDP)構建時延最小化決策問題,并提出基于樣本路徑的低復雜度求解算法。仿真驗證了所提協議和算法能通過多跳傳輸使能量的供需分布相對平衡,有效降低平均等待時延。設計反向散射傳輸WPCN,研究其多用戶QoS保障和節(jié)能技術。為降低能量損耗,在WPCN中應用反向散射傳輸:被動節(jié)點(Passive node,PN)通過錯配天線阻抗,將數據調制在來自主動節(jié)點(Active node,AN)的信號上,并以反射的方式將調制后的信號傳向接收節(jié)點(Receiver,Rx)。提出捕獲兼反射(Harvest-while-scatter,HWS)協議:AN持續(xù)發(fā)射單載波射頻信號;多個PN先捕獲無線能量再依次將數據調制在該射頻信號上,并反射給Rx;每個PN利用其它PN反射的時間持續(xù)捕獲射頻能量,以降低專用于能量傳輸的能耗。針對反向散射傳輸模式下PN無法發(fā)送導頻或反饋信道狀態(tài)信息(Channel state information,CSI)的難點,提出一種與HWS協議適配且由AN、PN和Rx三點協作獲得統(tǒng)計CSI的信道估計方法。為在保障QoS的前提下降低總能耗,提出一種在僅有上述統(tǒng)計CSI條件下控制AN的傳輸功率并分配各PN反射時長的能耗最小化魯棒算法。仿真結果驗證了所提協議和算法在QoS保障和節(jié)能方面的有效性,并揭示了節(jié)點相對位置對功率控制和時間分配的影響。針對穩(wěn)定供電和無線供電兩類用戶共存的混合供電通信網絡,研究基于資源分配優(yōu)化和自適應傳輸的節(jié)能方法。根據能量傳輸與數據傳輸對時頻資源的不同需求,提出將兩者分別安排在低頻窄帶和高頻寬帶上進行的頻分傳輸模式。為應對能量供需失衡,提出基于能量波束賦形的波束切換能量分發(fā)方法:HAP將能量波束依次指向各無線供電用戶,并通過控制能量傳輸功率和充電時長,實現以高能量轉換率地為各無線供電用戶按需分發(fā)能量。為保障數據傳輸QoS并降低能耗,研究自適應控制數據傳輸功率、能量傳輸功率和能量傳輸時長的最優(yōu)決策問題:建立包含實時CSI、能量分布和數據傳輸負載分布的決策模型;在給定上下行時間分配的條件下,將該決策問題拆解為數據傳輸和能量傳輸兩個子問題;通過信道狀態(tài)離散化和MDP框架將這兩個子問題分別轉換為易解的線性規(guī)劃問題;提出對應的求解算法。通過仿真驗證了波束切換方案和所提算法的有效性,揭示了自適應傳輸決策利用隊列緩存和信道分集實現節(jié)能的機理,即通過在信道條件良好時預存能量來降低平均總能耗。針對同一地域存在多類節(jié)點,且同時支持多種任務的大規(guī)模異構無線供電通信網絡,研究基于能量-服務交易的高能效眾包平臺。在該平臺上,用戶可提供能量作為報酬,雇傭其它用戶協助自己完成任務,從而降低總能耗。提出以能量為交易媒介,為用戶維持賬戶并全程監(jiān)督上述交易的能量銀行。雇主用戶可從能量銀行取現并通過附近無線充電站(Powerbeacon)獲得充能,或通過無損記賬的方式向工人用戶轉賬。交易過程中,能量銀行要求雇主預付報酬并凍結,在任務完成后再解凍并向工人轉賬。為驗證交易可行,分析雇主的能量代價最小化決策和工人們的能量利潤最大化決策,并證明它們的最優(yōu)決策構成Stackelberg均衡。為示范所提平臺的應用并量化所提機制的節(jié)能效果,將它們應用于基于中繼的無線傳感器網絡中:在給定最低數據率的要求下,源節(jié)點雇傭中繼節(jié)點協助自己向目的節(jié)點發(fā)送數據。針對該場景中的雇主能量代價最小化問題,提出啟發(fā)式求解算法。仿真結果驗證了所提平臺能為雇主與工人帶來雙贏,并提高全網的能量利用率,還揭示了源節(jié)點對候選中繼節(jié)點位置的偏好。
【圖文】：

圖１．２無線供電通信網絡的傳輸模式逡逑無線供電通信網絡必須配置時間、頻率、功率等資源來保證無線能量傳輸，既要為用逡逑戶的數據傳輸提供充足能量，又不應對數據傳輸信號造成干擾。逡逑現有的無線供電通信網絡主要有兩種信息與能量同步無線傳輸模式：時間切換逡逑（Ｔｉｍｅｓｗｉｔｃｈ，邋ＴＳ）傳輸模式［９］和功率分割（Ｐｏｗｅｒｓｐｌｉｔ，邋ＰＳ）傳輸模式［２１］，如圖１．２所不。逡逑在ＴＳ模式中，能量傳輸與信息傳輸在互為正交的時間片段中分別執(zhí)行，從而避免能量傳輸逡逑對信息傳輸的干擾。信息傳輸既可以是ＡＰ向用戶發(fā)送數據（下行），也可以是用戶向ＡＰ發(fā)逡逑送數據（上行）。在ＰＳ模式中，ＡＰ用高功率向用戶下行發(fā)送信號，用戶利用功率分割器逡逑（功分器）將來自ＡＰ的信號分割為能量信號和信息信號，分別用于能量捕獲和信息解調；逡逑用戶的上行時間片段與ＡＰ的下行時間片段正交。其中，功分器是將一路輸入信號分成多逡逑路功率相等或不相等的輸出信號的射頻器件，其分割損耗一般為３？６邋ｄＢ［２２］。逡逑１．１．３無線供電通信網絡的適用場景逡逑

邐ｉ逡逑圖１．１無線供電通信網絡的組網模式逡逑Ｉ邋（個）＋——邐邋ｉ邋？（個）：邋ｒ邋ｙ邐邋｜逡逑：Ａ邐￣￣｜邋ｉ邐Ａ邐｜＾Ｈ邋能量捕獲Ｆ１￣＾Ｔ｜｜邐ｊ逡逑：（ｊ邐＇￣￣？｜數據收發(fā)器卜一邋Ｍ邋ｉ邋ｉ邋（ｊ邐數據收ＨＴＶ池邋；逡逑；個功率邐ｉ！個功率邐ｉ逡逑！邋能量傳輸邋邐邋｜邋；邐二．．１邐邋＞逡逑■邐信息傳輸邋ｊ邋ｙ間ｉ邋ｉ邐信息傳輸１邋ｐ間！逡逑提炙邋邐邐邐邐邐邐邐ｊ邋ｉ．邋邐邐邐邐ｊ逡逑圖１．２無線供電通信網絡的傳輸模式逡逑無線供電通信網絡必須配置時間、頻率、功率等資源來保證無線能量傳輸，既要為用逡逑戶的數據傳輸提供充足能量，又不應對數據傳輸信號造成干擾。逡逑現有的無線供電通信網絡主要有兩種信息與能量同步無線傳輸模式：時間切換逡逑（Ｔｉｍｅｓｗｉｔｃｈ，，邋ＴＳ）傳輸模式［９］和功率分割（Ｐｏｗｅｒｓｐｌｉｔ，邋ＰＳ）傳輸模式［２１］，如圖１．２所不。逡逑在ＴＳ模式中，能量傳輸與信息傳輸在互為正交的時間片段中分別執(zhí)行，從而避免能量傳輸逡逑對信息傳輸的干擾。信息傳輸既可以是ＡＰ向用戶發(fā)送數據（下行），也可以是用戶向ＡＰ發(fā)逡逑送數據（上行）。在ＰＳ模式中，ＡＰ用高功率向用戶下行發(fā)送信號，用戶利用功率分割器逡逑（功分器）將來自ＡＰ的信號分割為能量信號和信息信號，分別用于能量捕獲和信息解調；逡逑用戶的上行時間片段與ＡＰ的下行時間片段正交。其中
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN92

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本文編號：2599865