基于時(shí)延QoS要求的多載波中繼能量收集系統(tǒng)的資源分配.pdf

1、采用正交頻分復(fù)用的多載波中繼(Multicarrier Relay,MR)協(xié)作技術(shù),可以提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率、擴(kuò)大通信范圍及減少長距離通信過程中出現(xiàn)的信號衰減等問題。同時(shí),在時(shí)延敏感的無線通信環(huán)境下,時(shí)延服務(wù)質(zhì)量(Quality-of-Service,QoS)是衡量無線通信系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。另一方面,能量收集無線通信系統(tǒng)可以降低對外界供電設(shè)備的依賴,依靠自身收集能量進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)通信的可持續(xù)性和穩(wěn)定性。因此,在具有能量收集節(jié)點(diǎn)

2、的多載波中繼(Energy Harvesting MR,EHMR)通信系統(tǒng)中,考慮時(shí)延QoS要求,如何合理分配系統(tǒng)頻譜、功率等資源,提高整個(gè)系統(tǒng)的通信性能,是資源分配研究的核心。
　　論文針對基于時(shí)延QoS的EHMR通信系統(tǒng),分別在確定信道和不確定信道信息場景下,采用凸優(yōu)化方法和魯棒性優(yōu)化方法,對通信系統(tǒng)的子載波和功率分配進(jìn)行研究,規(guī)劃問題、求解,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證和分析。
　　論文的研究工作包括:
　　(1)簡述了基于時(shí)

3、延QoS要求的EHMR系統(tǒng)研究的相關(guān)背景,如多載波中繼通信技術(shù)的發(fā)展和研究、能量收集通信系統(tǒng)的研究概況、滿足時(shí)延QoS要求的通信系統(tǒng)的資源分配研究以及非確定信道下的魯棒性資源分配研究等。進(jìn)一步,論文介紹了相關(guān)數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ),如凸優(yōu)化理論、Taylor近似法、魯棒性優(yōu)化方法等。
　　(2)在信道狀態(tài)信息確定的情形下,研究EHMR系統(tǒng)的資源分配問題。以實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的有效容量最大化為目標(biāo),滿足系統(tǒng)時(shí)延服務(wù)質(zhì)量QoS的要求,建立系統(tǒng)模型并規(guī)

4、劃優(yōu)化問題。同時(shí),利用Taylor近似和凸優(yōu)化理論對對優(yōu)化問題求解,并采用子梯度迭代法進(jìn)行數(shù)值求解,得到系統(tǒng)的最優(yōu)資源分配方案。為降低計(jì)算復(fù)雜度,論文提出一種次優(yōu)化的資源分配方案,根據(jù)信道狀態(tài)信息對子載波進(jìn)行分配,確定子載波分配方案后,重新規(guī)劃問題,求解得到信號發(fā)送功率的分配方案。在以上基礎(chǔ)上,利用蒙特卡羅仿真方法對提出的最優(yōu)資源分配方案和次優(yōu)資源分配方案進(jìn)行驗(yàn)證和分析。通過幾種資源分配方案的對比結(jié)果表明,在相同條件下,采用提出的最優(yōu)資

5、源分配方案,在保證時(shí)延QoS條件下,可以獲得最大的有效容量,通信性能最優(yōu)。
　　(3)考慮在非確定信道狀態(tài)信息的情形下,研究EHMR系統(tǒng)在滿足時(shí)延QoS要求的魯棒性資源分配方案。采用Worstcase方法,將非確定信道下的信道功率增益值表示為估計(jì)值和誤差值兩部分之和,且利用一般范數(shù)模型可以將誤差值表示成一個(gè)不確定集并且為該不確定區(qū)域設(shè)置一個(gè)上界。在滿足能量約束和時(shí)延要求的條件下,規(guī)劃魯棒性優(yōu)化問題,然后利用拉格朗日對偶方法對該問題

6、進(jìn)行求解,獲得魯棒性資源分配問題的最優(yōu)解。該最優(yōu)解中信道功率增益值含有不確定的參數(shù):不確區(qū)域的上界和在該不確定區(qū)域中功率增益取各種值的取值概率。在以上基礎(chǔ)上,論文進(jìn)行仿真分析,研究了信道功率增益值、不確定區(qū)域上界和取值概率之間的關(guān)系,進(jìn)一步,分析了魯棒性資源分配方案中時(shí)延QoS參數(shù)、各時(shí)隙收集的能量、不確定區(qū)域上界和取值概率等參數(shù)對通信系統(tǒng)有效容量的影響。結(jié)果表明,在非確定信道狀態(tài)信息下,提出的魯棒性資源分配方案能夠?qū)崿F(xiàn)有效容量和系統(tǒng)穩(wěn)