隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用和人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)和虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的日臻成熟,高密度全覆蓋、高速率大容量、低延時(shí)高可靠、低功耗廣連接的端到端通信需求應(yīng)運(yùn)而生,而傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)法滿足新技術(shù)、新場(chǎng)景和新應(yīng)用的要求,因此5G時(shí)代正式迎來(lái)了曙光。在5G無(wú)線通信技術(shù)中,認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜共享和非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技術(shù)吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜共享可實(shí)現(xiàn)頻譜資源的復(fù)用,未授權(quán)用戶可以機(jī)會(huì)性地占用授權(quán)頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技術(shù)可以將射頻干擾信號(hào)轉(zhuǎn)化為能量,結(jié)合SWITP的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以提高能量效率,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期限,滿足綠色通信的要求。NOMA作為一種新型無(wú)線接入技術(shù)具有很高的頻譜效率。發(fā)射端采用疊加編碼機(jī)制,通過(guò)分配不同的功率,線性組合不同用戶的信號(hào),并占用整個(gè)信道資源廣播信號(hào)給各用戶。為進(jìn)一步提高頻譜和能量效率,滿足5G的通信需求,本文研究了 5G場(chǎng)景中高能效和高譜效的通信協(xié)議設(shè)計(jì)。首先討論了基于攜能通信的能量協(xié)作的時(shí)域頻譜共享協(xié)議,然后提出了能量和數(shù)據(jù)協(xié)作的時(shí)空域頻譜共享協(xié)議,進(jìn)一步提高頻譜和能量效率,分析了能量或數(shù)據(jù)協(xié)作對(duì)占有頻譜的主系統(tǒng)和無(wú)授權(quán)頻譜的次系統(tǒng)影響。隨后研究了具有高頻譜效率的NOMA方案,在不同場(chǎng)景下,提出了基于截短ARQ及最優(yōu)中繼選擇的協(xié)作NOMA方案,分析關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)吞吐量影響。論文的主要研究?jī)?nèi)容包括:1.提出了一種能量協(xié)作的時(shí)域頻譜共享協(xié)議。該協(xié)議包含三個(gè)階段:第一階段,次系統(tǒng)發(fā)送端(Secondary Transmitter,ST)與主基站(Primary Base Station,PB)共同發(fā)送能量信號(hào)給主系統(tǒng)用戶(Primary User Equipment,UE)充電;第二階段,UE使用收集的能量發(fā)送上行數(shù)據(jù)給PB;第三階段,ST接入頻譜發(fā)送次系統(tǒng)數(shù)據(jù)。次系統(tǒng)通過(guò)給主系統(tǒng)設(shè)備提供能量,換取頻譜資源實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。考慮相同時(shí)間塊上行無(wú)線能量傳輸(Wireless Energy Transfer,WET)與下行無(wú)線信息傳輸(Wireless Information Transfer,WIT)具有相關(guān)性,在發(fā)射功率的約束下,推導(dǎo)了主系統(tǒng)和次系統(tǒng)的吞吐量。在保障主系統(tǒng)性能條件下優(yōu)化了 WET和WIT的時(shí)間分配系數(shù),使次系統(tǒng)吞吐量最大。2.提出了一種能量-數(shù)據(jù)協(xié)作的時(shí)空域頻譜共享協(xié)議。該協(xié)議包含兩個(gè)階段:第一階段,PB發(fā)送能量信號(hào)給主系統(tǒng)UE,同時(shí)SU可以接入主用戶頻譜傳輸自己的數(shù)據(jù)。次系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致的干擾可幫助提升UE能量收集效率;第二階段,UE給PB發(fā)送上行數(shù)據(jù),同時(shí)SU偵聽(tīng)、解調(diào)該信號(hào)。如果PB錯(cuò)誤接收但是SU正確解調(diào)主系統(tǒng)的上行信號(hào),那么SU可以作為中繼與UE構(gòu)成虛擬天線陣列,使用Alamouti編碼技術(shù)在下一時(shí)間塊共同重傳主系統(tǒng)的數(shù)據(jù),引入空間分集提高鏈路的魯棒性。伴隨著SU能量和數(shù)據(jù)的協(xié)作,主系統(tǒng)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)更快更可靠傳輸,為次系統(tǒng)提供更多的頻譜接入機(jī)會(huì)。考慮到一個(gè)時(shí)間塊內(nèi)下行WET和上行WIT的信道相關(guān)性,我們推導(dǎo)了主次系統(tǒng)的吞吐量。在保障主系統(tǒng)吞吐量約束的同時(shí),最大化次系統(tǒng)吞吐量,優(yōu)化了 WET和WIT之間的時(shí)間分配系數(shù)。3.提出了一種基于截短ARQ和中繼的NOMA方案。在功率域,源節(jié)點(diǎn)使用疊加編碼技術(shù)同時(shí)發(fā)送包含兩個(gè)用戶信息的混合信號(hào)給中繼和目的節(jié)點(diǎn)。由于源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有直接路徑,中繼節(jié)點(diǎn)采用連續(xù)干擾消除(Success Interference Cancelation,SIC)技術(shù),首先解調(diào)并消除自己的信號(hào),隨后解調(diào)目的節(jié)點(diǎn)的信息。如果中繼節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤解調(diào)相應(yīng)信號(hào),隨后源節(jié)點(diǎn)使用全部功率重傳。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)信息被正確恢復(fù)時(shí),中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該信號(hào)。如果目的節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤接收該信號(hào),那么中繼節(jié)點(diǎn)重傳該信號(hào)。采用截短ARQ機(jī)制,確保了信息傳輸?shù)乜煽啃�。我們推�?dǎo)了系統(tǒng)吞吐量,揭示了系統(tǒng)參數(shù),比如功率分配系數(shù)、速率、距離等對(duì)系統(tǒng)性能的影響。仿真結(jié)果表明提出方案的系統(tǒng)吞吐量要高于基于截短ARQ的傳統(tǒng)中繼策略。4.提出了一種基于協(xié)作中繼選擇的NOMA方案,在接入點(diǎn)(Access Point,AP)和U2之間存在一個(gè)多中繼的協(xié)作區(qū)域。通信過(guò)程分為兩個(gè)階段:第一階段,AP通過(guò)線性疊加編碼技術(shù)合并準(zhǔn)備發(fā)送給近端用戶U1的信號(hào)s1和遠(yuǎn)端用戶U2的信號(hào)s2,隨后AP廣播該混合信號(hào)。U1和中繼將s2當(dāng)成干擾解調(diào)S1。如果中繼正確恢復(fù)s1,那么從混合信號(hào)中消除s1的成分繼續(xù)解調(diào)s2;第二階段,從能夠正確恢復(fù)s2的中繼里面,選擇一個(gè)與U2信道狀況最好的中繼轉(zhuǎn)發(fā)s2給U2。當(dāng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)s2時(shí),未能正確解調(diào)s1的U1同時(shí)偵聽(tīng)該信號(hào)并采用最大比合并(Maximal-Ratio Combining,MRC)技術(shù)合并兩個(gè)階段來(lái)自AP和中繼的s2進(jìn)行解調(diào)、消除s2成分,從而繼續(xù)恢復(fù)s1�？紤]到U1、中繼和U2信號(hào)解調(diào)狀況,推導(dǎo)了系統(tǒng)吞吐量,揭示了系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的影響。仿真結(jié)果表明在較低的能量消耗情況下,所提方案獲得了比TDMA方案更高的系統(tǒng)吞吐量。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TN929.5;TN925
【部分圖文】：

１．２認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與攜能通信技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀??１．２．１認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜共享技術(shù)??面對(duì)當(dāng)前無(wú)線流量和智能設(shè)備爆炸式增長(zhǎng)的情況（如圖１．１所示），有限的頻譜??資源己經(jīng)分配殆盡，為確保“寬帶中國(guó)”、“百兆鄉(xiāng)村”、“互聯(lián)網(wǎng)＋”等國(guó)家層面計(jì)劃??的落地，急需探索額外的頻譜資源丨１６卜在５Ｇ網(wǎng)絡(luò)中，拓展頻譜資源存在兩種方??式：使用較高頻段的頻譜資源，比如毫米波（３０?－?３００?ＧＨｚ）?［１８］和可見(jiàn)光（３８５?－?７９０??ＴＨｚ）丨１９］頻段；此外，珍貴頻譜資源在時(shí)間和空間上并沒(méi)有被充分使用，針對(duì)動(dòng)態(tài)??閑置的頻譜資源，可采用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜的復(fù)用。??認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)是５Ｇ關(guān)鍵技術(shù)之一丨２０］，可以根據(jù)優(yōu)先級(jí)靈活調(diào)度不同??的無(wú)線通信系統(tǒng)工作在相同的頻段，充分提高頻譜的使用效率丨２１］。頻譜共??享（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ?Ｓｈａｒｉｎｇ）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)空閑頻譜的復(fù)用

本論文的結(jié)構(gòu)如圖１．２所示，研宂了基于攜能通信的認(rèn)知無(wú)線電頻譜共享策略??（第二、三章）和協(xié)作中繼ＮＯＭＡ方案（第四、五章），具體內(nèi)容安排如下：??第一章緒論主要介紹了?５Ｇ關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，論文的主要研究背景以及論??文的創(chuàng)新點(diǎn)。??第二章提出了基于能量協(xié)作的時(shí)域頻譜共享協(xié)議，提高主系統(tǒng)能量收集效率，??實(shí)現(xiàn)次系統(tǒng)機(jī)會(huì)性地占用主系統(tǒng)頻譜實(shí)現(xiàn)自身數(shù)據(jù)傳輸。??第三章提出了基于能量－數(shù)據(jù)協(xié)作的頻譜共享協(xié)議，利用Ａｌａｍｏｕｔｉ編碼和虛擬??天線陣列，獲得協(xié)作分集增益，提高系統(tǒng)的魯棒性。??第四章研宄了采用截短ＡＲＱ機(jī)制和中繼的ＮＯＭＡ協(xié)議，通過(guò)有限次重傳減??少傳輸時(shí)延，提高數(shù)據(jù)包傳輸?shù)乜煽啃浴??第五章提出了基于協(xié)作中繼選擇的ＮＯＭＡ系統(tǒng)，選擇協(xié)作區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)中??繼轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)端用戶信息．并且協(xié)助未正確接收數(shù)據(jù)的近端用戶消除干擾恢復(fù)期望信??號(hào)。??．。??

在保障主系統(tǒng)吞吐量不低于基準(zhǔn)模型吞吐量的同時(shí)．最大化次系統(tǒng)吞吐量。??？仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性，揭示了系統(tǒng)參數(shù)，例如時(shí)間分配系數(shù)、??主次系統(tǒng)傳輸速率、終端距離和發(fā)送功率等的變化，導(dǎo)致的資源分配對(duì)主系??統(tǒng)和次系統(tǒng)性能的影響。??本章結(jié)構(gòu)：２．２節(jié)介紹了系統(tǒng)模型和通信協(xié)議；２．３節(jié)介紹了基準(zhǔn)模型并分析了??基準(zhǔn)模型的吞吐量；２．４節(jié)分別推導(dǎo)了所提模型主系統(tǒng)和次系統(tǒng)的吞吐量：２．５節(jié)描??述了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果并解釋了原因；２．６節(jié)總結(jié)全章。??２．２?系統(tǒng)模型??圖２．１為提出的能量協(xié)作時(shí)域頻譜共享方案的系統(tǒng)模型，包括一條主鏈路和??一條次鏈路。主系統(tǒng)優(yōu)先占據(jù)頻譜資源，而次系統(tǒng)可以當(dāng)作室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)??（■Ｗｉｒｅｌｅｓｓ?Ｌｏｃａｌ?Ａｒｅａ．?Ｎｅｔｗｏｒｋ）機(jī)會(huì)接入主系統(tǒng)的頻譜資源，其中ＳＴ可認(rèn)為是接??入點(diǎn)（ＡＰ），ＳＲ是次系統(tǒng)的用戶。協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如圖２．２所示。每個(gè)ｒ秒的時(shí)間塊分??
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本文編號(hào)：2867212