无线信息与能量中继传输关键技术设计

作     者：鲁聪聪 

作者单位：山东交通学院 

学位级别：硕士

导师姓名：刘洪武;高福连

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：能量采集 无线信息和功率传输 马尔科夫链 非正交多址 协作通信 

摘      要：在B5G和6G无线通信技术的研究中,如何节约能量、提高传输性能是值得关注的问题。为了向数量众多且能量受限的新一代物联网节点提供可靠的无线供能和信息传输方式,无线信息与能量同步传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)在点对点和点对多点无线网络中研究中受到广泛关注。针对能量受限的中继节点,可以采用SWIPT技术通过射频信号向中继节点发射能量,中继节点从射频信号中采集能量并利用采集到的能量将源信息转发到目的用户。在现有SWIPT接收机中,存在着基于时间切换和基于功率分流的接收机体系结构;相应的,SWIPT中继传输有两类典型的两种中继协议,即基于时间切换的中继(Time-Switching Relaying,TSR)协议和基于功率分流的中继(Power-Switching Relaying,PSR)协议。本文主要围绕SWIPT中继系统的两个关键技术进行研究,包括对两跳中继系统中基于分组内时间切换的SWIPT中继的研究以及对具有直径链路的协同非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)系统中的SWIPT中继的研究。本文的主要研究内容及主要贡献可归纳如下:针对两跳中继传输系统,本文首先研究了基于TSR的优化中继协议设计。通过在中继节点配置能量采集单元和可充电电池,实现了对采集能量的累积和调度。接着,本文提出了一种分组内时间切换的采集-传输-存储(Harvest-Transmit-Store,HTS)中继模式,实现了在每一分组内进行时间切换的SWIPT中继。随后,本文对HTS中继模式的系统中断性能进行了蒙特卡洛仿真。仿真结果表明:相比未采用分组内时间切换的HTS模式,本文所提的分组内时间切换的HTS模式极大地提高了系统的中断性能和成传速率。接着,本文针对具有直径的协作NOMA系统,开展了协同利用直径和中继传输的SWIPT研究,并提出了一种协作的直径和中继传输(Coordinated Direct and Relay Transmission,CDRT)SWIPT方案。在CDRT-SWIPT方案中,从信源到两个NOMA用户的直径和中继传输路径都得到了应用,并通过对直径信号和中继信号的旋转操作,在每个用户接收机形成具有正交结构的接收信号模型,从而使得每个接收机能够通过简单的线性组合来恢复其期望信号。考虑协作NOMA系统工作独立且非相同分布的Nakagami-m衰落信道,本文分析了两个用户的中断概率并给出了解析表达式。此外,本文还推导了CDRT-SWIPT方案取得的分集增益,揭示了系统分集增益由中继信道的最小形状因子确定的机理。仿真结果表明,相比没有利用直径的协作NOMA的SWIPT传输,本文所提的CDRT-SWIPT方案取得增强的中继性能。