基于协作传输的无线赋能体域网资源分配研究

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无线赋能体域网(WPBAN,Wireless Powered Body Area Network)在接入点(AP,Access Point)通过无线赋能(WPT,Wireless Power Transfer)技术提供可持续能量供应,为低功耗感知节点对人体生理和周围环境信息感知提供了可持续的能量供应,解决了传统无线体域网中的感知节点能量受限问题,是支撑国家“面向人民生命健康,不断向科学技术广度和深度进军”发展战略的重要研究方向。然而,在WPBAN中仍存在感知节点能量收集能力不平衡、感知节点发射功率低和AP无线能量传输效率低等问题,这导致了单个感知节点在进行信息发送时可能出现传输不可靠问题。针对上述问题,本论文从多感知节点协作和AP多天线协作两个方面寻找提高传输可靠性的方法,研究基于协作传输的无线赋能体域网资源分配。主要工作和贡献如下:(1)针对WPBAN中感知节点能量收集能力不平衡导致的信息传输不可靠问题,本论文从感知节点协作方面,基于发射协作和反射协作两种方式分别建立多节点协作波束赋形传输模型,开展面向最小吞吐量最大化的资源分配研究。本文利用多个单天线感知节点通过发射协作或者反射协作构建虚拟天线阵列,提高接收信号强度。一方面,在基于发射协作的多节点协作波束赋形策略中,本论文设计出联合时间与收集能量分配(JTHEA,Joint Time and Harvested Energy Allocation)算法,解决了最小吞吐量最大化问题。为此,先根据公平传输条件推导出射频收集能量分配的最优解的闭合表达式,再根据Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件推导出最优时间分配比例系数的闭合表达式;另一方面,在基于反射协作的多节点协作波束赋形策略中,本论文设计出联合时间分配(TA,Time Allocation)算法,优化了每个感知节点的下行无线能量传输和上行无线信息传输的时间比例,基于KKT条件推导出面向最小吞吐量最大化的最优时间分配比例系数的闭合表达式。仿真结果表明,传统的独立传输策略只能保障信噪比或吞吐量性能中的一种,而本论文提出的多节点波束赋形策略在信噪比和吞吐量两种性能均表现出优越性。(2)针对WPBAN中感知节点发射功率低导致的信息传输不可靠问题,本论文从感知节点协作方面,进一步建立了联合发射与反射协作的多节点协作波束赋形传输模型,设计出面向总吞吐量最大化的联合相位设计与时间分配(JPDTA,Joint Phase Design and Time Allocation)算法。一方面,本文在传输模型中将同类感知节点的发射协作和不同类感知节点的反射协作相结合,和单独发射或反射协作波束赋形相比进一步增强了接收信号强度。另一方面,考虑到总吞吐量最大化问题中存在变量耦合难以直接求解,本论文利用提出的JPDTA算法将其分解为时间分配优化子问题和联合相位优化子问题。针对时间分配优化子问题,本论文根据KKT条件推导出了最优解的闭合表达式;针对联合相位优化子问题,本论文提出一种基于迭代优化和Hopfinger黄金分割法的集中式算法和一种低复杂度的分布式算法。仿真结果表明,和传统发射协作波束赋形相比,本论文提出的联合发射与反射协作波束赋形提高了5.3 d B信噪比和16.6%总吞吐量,节约了29.4%的无线能量传输时间。(3)针对WPBAN中AP无线能量传输效率低导致的信息传输不可靠问题,本论文构建基于AP多天线协作的加权波束赋形传输模型,提出面向传输能效最大化的联合波束权重与时间分配(JBWTA,Joint Beamforming Weights and Time Allocation)算法。在信噪比和发射功率的联合约束下,构建传输能效最大化问题,利用所提出的JBWTA算法进行求解,实现了传输总吞吐量与能耗功率比值的最大化。因为所构建的问题存在变量耦合难以直接求解,本论文通过变量代换将其转换为熵函数最大化问题。该优化问题是标准的凸优化问题,可以利用凸优化工具直接求解。仿真结果表明,和传统多天线波束赋形策略相比,本论文提出的加权波束赋形策略提高了10.2%传输能效,节约了2.98%无线能量传输时间。
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