基于OFDM多中继无线携能通信方法研究

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从移动电话的出现,到如今移动互联网渗透到人们日常生活的每个角落,无线通信技术的每一次革新都对社会产生深刻变革。随着5G时代的正式来临,无线通信网络具有更高的传输速率,更低的时延和更大的系统容量,将成为未来经济发展和社会进步的重要动力。然而,用户数量的激增使通信能耗也呈现几何级数增长,能量供应短缺问题日益突出。无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术利用射频(Radio Frequency,RF)信号可以实现信息与能量并行传输,为设备提供稳定的能量来源,对解决无线通信网络的能量受限问题提供新方案。SWIPT技术主要采用功率分配(Power Splitting,PS)、时隙切换(Time Switching,TS)和天线选择(Antenna Selecting,AS)三种模式,然而这三种模式都要求接收端配备分配器,从而增加系统设计的复杂度和成本。为了解决这一问题,我们结合正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术,通过子载波分配实现能量与信息的协同传输。本文以多中继无线携能通信网络为研究背景,结合OFDM技术和协作中继技术来进一步提高系统性能。本文的主要工作内容和成果如下:(1)针对现有多中继无线携能通信方法要求接收端配备分配器问题,我们首先提出了一种基于OFDM单向多中继解码转发(Decode-and-Forward,DF)无线携能通信方法。在该方法中,我们将协作通信时间平均分成两个时隙。第一时隙,源节点将信号发送到中继节点,中继节点利用SWIPT技术分配一部分子载波用于信息解码,剩余子载波用于能量接收。第二时隙,中继节点将收集的能量用于转发信号,因而不需要额外的能量供给。然而在该方法中,中继节点需要解码接收信号,不能保证发送信息的安全性。在AF协议中,中继节点仅对信号线性放大后转发,从而提高信息安全性。因此,我们提出一种基于OFDM单向多中继AF无线携能通信方法,并进一步考虑源节点与目标节点存在信息直传的情况。我们对上述两种方法中的子载波分配和功率分配进行联合优化,旨在获得最大的信息传输速率。仿真结果表明,本文提出的两种优化方法与其他方法相比,能获得更高的信息传输速率。(2)为了进一步提高中继无线携能通信网络的频谱利用率,我们提出两种基于OFDM双向多中继无线携能通信方法。在这两种方法中,第一时隙,中继节点同时收到两个源节点发射的信号,然后将部分子载波用作信息解码,剩余子载波用作能量收集。第二时隙,中继节点利用获取的能量协助信号转发,因而不需要额外提供能量,两个源节点均收到中继节点的广播信号。具体来说,我们分别对基于DF和AF两种协议的双向多中继无线携能网络进行研究,通过联合优化子载波分配和功率分配使信息传输速率达到最大。仿真结果表明,本文提出的两种优化方法与其他方案相比,能达到更高的信息传输速率。
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