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数据采集与处理 2023年第4期38卷 986-994页

作者：蒋锐项家璇徐友云南京邮电大学通信与信息工程学院南京210003 南京邮电大学通信与网络技术国家工程研究中心南京210003

随着无线通信技术的快速发展,无线接入设备日益增多,但系统能耗也在不断增长。具备无线携能通信能力的正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)系统可以有效提高系统能量效率。本文针对以系统能效为优化目标的... 详细信息

随着无线通信技术的快速发展,无线接入设备日益增多,但系统能耗也在不断增长。具备无线携能通信能力的正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)系统可以有效提高系统能量效率。本文针对以系统能效为优化目标的资源分配问题,提出了基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化算法。该算法采用椭球法对拉格朗日乘子进行更新,可以有效加快算法收敛速度,提升算法性能。仿真实验结果表明,所提出基于椭球法的能效优化算法能有效解决以系统能效为优化目标的资源分配问题,与次梯度法相比,椭球法的收敛速度更快,能够显著地降低算法复杂度。

关键词：无线信息和能量同传正交频分复用功率分割能效优化椭球法

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基于时间分配和功率分流的无线体域网信息和能量传输技术研究

基于时间分配和功率分流的无线体域网信息和能量传输技术研究

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作者：刘赫吉林大学

学位级别：硕士

无线体域网(WBANs,Wireless Body Area Networks)是由多种位于体内、体表或体外的分布式传感器节点构成,具有信息感知、处理和传输功能的无线自组织网。WBANs是无线传感器网络(WSNs,Wireless Sensor Networks)的延伸,具有动态性、异质... 详细信息

无线体域网(WBANs,Wireless Body Area Networks)是由多种位于体内、体表或体外的分布式传感器节点构成,具有信息感知、处理和传输功能的无线自组织网。WBANs是无线传感器网络(WSNs,Wireless Sensor Networks)的延伸,具有动态性、异质性、网络规模小、能量受限和信号衰减快等特性。随着超高速率、低延时、高可靠的第五代(5G)通信技术日渐成熟以及通信基础设施建设的日趋完善,为无线体域网创造了优越的外部条件。同时,在政策和技术双重推动下,无线体域网极大地降低了医疗成本,有利于减轻社会医疗资源紧缺的压力。除医疗领域外,无线体域网作为5G商业化进程下构建万物互联模式的重要一环,对汽车、娱乐和服务等行业提高效率起到积极的作用,甚至在军事和消防等领域引起了极大的关注。位于体内或体外的小型化传感器实时感知人体生理参数,并通过Wi-Fi、蓝牙或移动通信等方式传输到健康监测中心。然而,传感器小型化和轻型化技术在给无线体域网带来发展的同时,也带来了网络能量受限的挑战,因此,如何提高传感器生命周期且实现网络可持续性是亟需解决的问题。传统新型能源诸如太阳能、振动能和热能具有不稳定、成本高、易受天气影响等缺点,无法满足移动可穿戴设备的要求。无线射频(RF,Radio Frequency)能量收集方式却解决了频繁更换电池的问题,一方面RF具有同时传输能量和信息的特性,另一方面具有可持续、稳定可靠、成本低和无噪音等优势,适用于处于任何环境下的无线体域网,实现网络的能量自足。另外,本文选择适用于无线能量和信息传输系统模型的功率分流和时间分配接收器结构,改善了传感器无线射频能量收集和信息解码的能力。人体是由不同电子特性的组织层构成的非均匀有损的通信传输媒介,信道状态经常受通信距离、通信频率、高斯白噪声(WGN,White Gaussian Noise)以及阴影效应因素干扰,因此,如何高效可靠地传输信息数据是判断无线体域网性能的一个重要指标。现今关于无线体域网的研究大多局限于简单的点对点能量和信息传输模型和中继协作传输模型,无法实现多种生理参数的准确感知和传输。另外,由于无线体域网的动态性,人体可随时处于极端天气环境中,导致传感器收集的能量无法满足信息传输的消耗。针对上述问题,本文提出了基于多点无线体域网(MP-WBAN)的信息和能量传输的研究,以改善系统信息高效可靠传输为目标,主要研究思路如下:首先,根据无线体域网的网络特性,设计异常情况下的多点无线能量和信息双向传输模型和正常情况下的多点无线能量和信息同时传输模型;其次,根据系统模型,提出无线能量和信息传输协议,对提出的协议进行理论推导和深入分析,为了改善系统性能,研究了三种优化算法;最终,对所提出的协议和算法进行仿真验证。本文的主要工作如下:一、通过研究无线体域网的网络结构、信道状态和应用场景,构建两种基于多点无线体域网的信息和能量双向传输和同时传输模型,结合能量收集技术,采用无线射频能量收集方式,延长网络的生命周期。二、提出基于时间分配的信能双向传输协议,根据所提协议进行理论推导,并研究了吞吐量和最大化(STM,Sum Throughput Maximization)算法提高系统总体信息传输速率,同时,为了实现资源公平分配,提出了最小吞吐量最大化(MTM,Minimum Throughput Maximization)算法提高系统公平性。三、提出基于混合时间分配和功率分流的多点信能同传协议,设计了无线射频能量接收器结构,保障生理参数和能量高效可靠传输。根据信能同传协议,提出吞吐量和最大化优化算法,改善系统信息传输的稳定性和有效性。四、根据上述两种通信协议,通过MATLAB进行仿真对比实验,将所提优化算法与等时间分配(ETA,Equal Time Allocation)算法对比分析,验证协议的准确性。上述研究内容为实现系统信息高效可靠传输以及资源公平分配挑战提供了新思路和新方法,创新的内容是基于已有研究进行扩展,为后续的研究奠定了基础。

关键词：无线体域网无线信息和能量同传凸优化技术吞吐量和最大化

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非线性无线能量收集物联网传输性能分析

非线性无线能量收集物联网传输性能分析

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作者：高珊珊北京交通大学

学位级别：硕士

随着传感器的大规模部署,网络节点的能量供应已成为物联网的发展瓶颈。采用电池供电,在特殊环境下难以频繁更换。为解决此问题,近年来学术界提出了无线射频能量收集技术。然而,由于此技术提出较新,很多基础问题亟待研究。现有关于无线... 详细信息

随着传感器的大规模部署,网络节点的能量供应已成为物联网的发展瓶颈。采用电池供电,在特殊环境下难以频繁更换。为解决此问题,近年来学术界提出了无线射频能量收集技术。然而,由于此技术提出较新,很多基础问题亟待研究。现有关于无线能量收集网络的研究大多假设了理想线性能量收集模型,尽管得到了很多重要结论,由于忽略了二极管等元件引起的电路非线性特性,与实际偏差较大。与此同时,无线链路的随机性导致信息和能量传输都具有很大不确定性,进而引发网络端到端信息传输中断。如何有效刻画网络在随机衰落链路质量环境下的信息中断性能是网络性能分析的重要指标。为此,本文基于非线性能量收集模型研究了两种代表性网络模型的传输中断性能,具体工作内容与创新如下:(1)针对单用户两跳多中继无线信息与能量同传(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)网络,基于非线性能量收集模型分析了系统端到端信息中断性能。中继节点采用解码转发方式和时间切换(Time Splitting,TS)接收机结构,采用第K个最佳中继选择策略给出了系统在Rayleigh衰落模型下的中断概率闭合表达式,进一步得到了系统的平均吞吐量闭合表达式。通过蒙特卡洛仿真实验验证了所得闭合表达式的正确性,并利用闭合表达式数值实验讨论了不同参数对系统性能的影响规律。实验表明,适当增加系统中继数目能够有效降低系统端到端中断概率;与此同时,选择的中继数K越小,系统中断概率越小。需要指出的是,与现有工作不同,该工作所有结论均在不完美链路状态信息场景下得出,求解难度更大、所得结论更具一般性也更接近实际情况。(2)针对多用户单跳无线能量驱动信息和能量同时传输网络(Wireless Powered Communication Network-SWIPT,WPCN-SWIPT),基于非线性能量收集模型分析了系统端到端信息中断性能。信息源节点首先从射频信号收集能量,然后利用所收集能量SWIPT给多个传感器节点,传感器节点采用功率分割(Power Splitting,PS)接收机结构。给出了系统在Nakagami-m衰落模型下的中断概率闭合表达式,进一步得到了系统平均吞吐量表达式。为了深入发现系统规律,在高发射功率的条件下,推导出了系统渐近中断概率闭合表达式,并得到了平均吞吐量渐近表达式。通过蒙特卡洛仿真实验验证了所得闭合表达式的正确性,并利用闭合表达式数值实验讨论了不同参数对系统性能的影响规律。实验发现链路衰落因子m越大,系统中断概率越小,并且在给定总传输时间的前提下随着充电时间的增加,系统的平均吞吐量先增加后减小。

关键词：无线信息和能量同传无线能量驱动网络非线性能量收集模型 Nakagami-m链路衰落模型不完美链路状态信息中断概率平均吞吐量

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