应用于数能一体化网络的波形设计

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随着无线通信技术以及电子信息技术的发展,物联网的触手逐渐蔓延至人民生活的方方面面。由于部分传感器设备体积小分布广的特点,导致不是所有物联网都适合使用人工更换干电池的方式维持工作寿命,这时传感器网络的生存周期问题逐渐凸显出来。传统的能量收集(Energy Harvest,EH)技术主要集中在自然界中如太阳能风能等自然能量。但是这些能量来源受气候影响较大,部署也不够灵活。而数能一体化网络(Data and Energy Integrated Networks,DEIN)很好的填充了这部分空白。在数能一体化网络中所有的接收设备都可以是无源器件,其能量来源为基站发射的电磁波。由于基站的稳定供能以及无线充电带来的灵活部署,这使得所有功能节点相对于使用传统能量收集技术的产品有了相当的稳定性和环境适应性。但是射频信号在空间尺度上衰落较快,功能节点收集到的能量较少,所以如何在保证基本通信的前提下尽可能的提高能量传输效率是数能一体化网络的重要研究方向。现有的研究表明,未调制的信号有着更好的能量传输性能,但是在窄带系统中加入高功率的未调制信号很容易将调制过的信号淹没而降低通信能力。数能一体化网络波形设计的主要目的为设计信号的幅度、相位使信号在通信能力不损失太多的前提下提高信号的能量传输性能。考虑到OFDM系统对频率同步敏感,而在OFDM系统中混入高功率未调制的信号时轻微的频率偏移就会使得整个信号出现较强的子载波干扰。本文首先分析了在OFDM系统中未调制信号对信号解调带来的影响;然后对单用户场景的最大化能量接收和多用户最大化总吞吐量两个问题进行了建模,试图通过控制信号的幅度和相位来对频率偏移现象进行一定程度的抑制。但是无论是单用户场景还多用户场景,其优化问题都不是标准的凸优化问题。为此本文提出了一种基于放缩后迭代求解的算法来对不考虑相位优化的情况进行求解并尝试使用人工蜂群算法对问题进行全局搜索。仿真结果表明,本文提出的算法在相同条件下较于未考虑频率偏移的算法能够有效的抑制载波间干扰。另外本文结合当下的通用滤波多载波技术,考虑使用分组滤波技术来降低载波间干扰,并结合能量接收非线性公式分析了其能量接收模型。由于数字滤波器的引入,信号出现了时域延展。这个现象导致整个信号的平均功率下降。但是分组滤波技术却有利于非调制信号功率的增加。为此本文设计了将调制信号和非调制信号分组滤波的波形,以抚平时域延展导致的信号功率下降。并依次设计了点对点的波形设计算法。仿真结果也证明了算法的有效性。
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