基于无线供电的非正交多址接入网络的资源分配研究

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无线能量传输技术(wireless power transfer,WPT)是一种用于解决无线网络中无线设备的能量缺乏和频繁更换电池问题的新型技术,该技术具有可控性,并且符合未来通信的发展。无线能量传输技术可用于无线通信领域,很多研究将无线能量传输技术应用于现有的无线多址接入方式如:频分多址接入(FDMA)、时分多址接入(TDMA)、正交频分多址接入(OFDMA)等,缓解了移动设备电池能量的不足,也推动了无线通信的发展。在频谱资源日趋紧缺的情况下,亟需新的多址接入方式。非正交多址接入技术(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)是一种缓解频谱紧缺和满足大规模节点接入需求的技术的新型多址接入技术。把非正交多址接入技术与无线能量传输技术相结合不仅可以缓解电池能量不足和设备电池频繁更换问题,还可以提高系统的频谱效率,特别适用于支持海量传感器节点接入的5G网络。本文考虑基于无线供电通信的非正交多址接入网络,其中包含一个多天线的能量基站、多个单天线用户和一个单天线信息接收机。由于多个用户需要发送各自的信息给信息接收机,用户自身的能量和有限的频谱资源会影响信息传输的速率。在无线通信系统中,下行链路和上行链路分别表示信号从基站到用户和从用户到基站的物理信道。所以,在下行链路中,能量基站通过基于射频的无线能量传输技术给多个用户提供可靠的能量。在上行链路中,用户使用收集到的能量基于非正交多址接入技术发送信息给信息接收机。在本文中,首先考虑能量基站获取到的信道状态信息(CSI)都是完美的,设计一种基于频谱效率最大化准则的资源分配策略,联合优化能量波束赋型向量、用户的发送功率和时间分配系数最大化系统的吞吐量。然而,在实际的应用场景中,能量基站获取到的CSI往往是不完美的,此时能量基站获取到的CSI存在误差。因此,在本文的研究中,进一步考虑不完美CSI的情况,在具有用户的信干噪比(SINR)中断概率约束的条件,提出一种具有鲁棒性的吞吐量最大化的传输策略。此外,本文增加考虑能量基站和用户的电路功率消耗,在满足服务质量(Quality of Service,Qo S)要求的条件下提出一种基于系统能量效率最大化准则的资源分配策略,目的是使系统能量效率最大化。本文提出一种高效的优化算法求解其中涉及的优化问题,该算法将非线性分式的目标函数通过Dinkelbach方法转化成线性的目标函数,然后使用交替优化求解最优的能量波束赋形向量、用户发射功率和时间分配系数。仿真结果表明本文提出的传输策略的性能要优于传统和基准的传输方案,并且在频谱效率和能量效率中会有一个性能的折中。
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