基于功率划分的能量收集协作中继传输系统的中断概率分析

密级： 公 开 学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR题 目 基于功率划分的能量收集协作中继传输系统的中断概率分析学 院： 信息工程学院 系 电子系 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 起讫日期： 学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上相应方框内打“” ）作者签名： 日期：导师签名： 日期： 摘要I基于功率划分的能量收集协作中继传输系统的中断概率分析专 业：通信工程 学 号：学生姓名： 指导教师：摘要在基于结合协作无线通信技术和能量收集技术的基础上的多用户无线传输系统中，本文主要研究了在中继中使用功率划分策略对无线网络系统中信息传输过程中断概率的影响。论文中假定的是在一个具有一个源点，两个目的点和一个具有有限能量中继的多用户无线网络传输模型中，此外，中继采用放大转发的方式。文中提出了一种基于功率划分的协作多用户传输（PSCMT）协议，分析了该协议的中断概率性能，且在此协议基础之上，考虑了源点发射功率，中继位置以及功率划分因子对无线网络传输系统中断概率的影响。为了评价系统的性能，本文先理论性地分析了 PSCMT 协议的系统中断概率，获得了中断概率的具体表达式。最后，在进行仿真之后，对结果进行了分析并与原先的分析进行了对比，数值结果很好地证明了之前的分析。同时，揭示了相比于传统的非协作方式，PSCMT 协议可以在不增加外部供能的前提下可以获得更低的系统中断概率，同时较好地实现了绿色通信。关键词：协作无线通信技术;能量收集技术;无线网络传输系统;中断概率;放大转发;绿色通信AbstractIIOutage Probability Analysis of Cooperative Transmisssion based on power splitting with Energy Harvesting RelayAbstractBased on a combination of cooperative wireless communication technology and nenrgy harvesting technology,the paper studies the effect of power splitting strategy used in relay on wireless network transmission system outage probability.Paper assumed that a multiuser wireless network transmission model consist of a source node ,two destination node and a relay node.In addition，the relay adopts amplify-and-forward.This paper also proposed a power splitting-based cooperative multiuser transmission（PSCMT ）protocol and analyzed its outage probability performance.Based on this prococol,we considered the effect of source node transmission power,the relays location and the power splitting factor on wireless network transmission system outage probability. To evaluate the performance of the system,paper firstly theoretically analyze the system outage probability of PSCMT protocol,then achieve explicit expressions of system outage probability.Finally,after performing the simulation,numerical results were analysed and perfectly prove the former analysis.At the same time,the numerical results reveal that PSCMT Protocol is a reliable solution to gain lower system outage probability without consuming extra energy compared with traditional non-cooperative scheme.Whats more,it realizes green communication.Keyword：cooperative wireless communication technology;energy harvesting technology;wireless network transmission system;outage probability;amplify-and-forward;green communication目录III目录摘要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 研究背景与意义 .11.2 研究现状 .21.2.1 能量收集技术 .21.2.2 协作中继技术 .31.2.3 论文结构安排 .4第二章 基于功率划分的协作多用户传输（PSCMT）协议 .52.1 系统模型 .52.2 接收机结构 .52.3 PSCMT 协议描述 .82.4 PSCMT 协议的中断概率分析 .82.5 本章小结 .11第三章 数值仿真及分析 .123.1 功率划分因子对系统中断概率的影响 .123.2 源节点功率对系统中断概率的影响 .133.3 中继位置对系统中断概率的影响 .143.4 本章小结 .14第四章 总结与展望 .164.1 总结 .164.2 展望 .16参考文献 .17致谢 .19第一章 绪论1第一章 绪论本部分主要介绍能量收集技术与协作中继技术的出现背景及意义，并且对这两种技术在国内外的当前研究现状进行了了解。1.1 研究背景与意义能源是人类生存与社会发展十分重要的物质基础，能源发展已经历了木柴时代、煤炭时代、油气时代和电气时代的几个过程。近几十年来，尽管加快了水能、风能、太阳能等清洁能源的开发和利用，但全世界能源供应主要还是来自化石能源。全球虽然有较大储量的化石能源，自从工业革命之后，人类对化石能源已进行了数百年大规模的开发利用，全球能源消费已呈现总量和人均能源消费量持续“双增”的趋势。此外，在世界人口增长、工业化、城镇化的影响下，全球一次能源消费总量从 53.8 亿吨标准煤增长到 181.9 亿吨标准煤，近50 年的时间增长了 2.4 倍。亚太地区已成为了能源消费增速最快、总量最大的地区，而中国的能源消耗增速已连续 14 保持世界最高一次能源消耗增速。截止到 2014 年，根据煤炭、石油、天然气的剩余探明可采储量，可分别开采 113 年、53 年、55 年。因此，全世界现在正面临着严峻的资源枯竭、污染排放严重两个问题。当前在所有社会行业中，信息通信技术是发展最快的行业，随之带来的能源消耗以及 C0 排放量也迅速增长。根据相关的统计，ICT（Information and Communication Technology）产业产生的 C0 占全球总排放量的 2%，能源消耗占据全球总能源消耗的 3%，而能源消耗的 57%来自移动通信，而无线接入网部分消耗了移动通信系统中的大部分能量 1。随着使用手机人数的增加，移动网络系统每年在能量消耗方面以 30-40%的速度增长，我国目前通信业每年耗电量大约为 200 多亿度 2。此外，大部分的移动设备都是由电池供能，而电池储能有限，关于电池容量的技术一直未取得突破性进展 3，这使得无线通信网络的工作时间无法延长。因此，在保证良好通信质量的前提下，延长网络的工作时间是未来无线通信网络面临的重要问题。要延长无线传输网络的工作时间，提高通信质量，即解决网络中设备能量受限问题。从解决设备供能问题上，当前国际学术界研究方法主要有两个：一、设计有效的通信协议合理分配通信网络中的资源来减少系统的能耗；二、采用能量收集技术来利用周围环境中存在的各种形式能量（如太阳能、风能、热能、振动能等） 4为能量受限节点供能。第一章 绪论2针对上面两个研究方法，在合理分配通信网络资源方面，涉及到时隙、频率、及功率的分配，而功率分配最重要。功率分配包含总功率不变时的分配和节点功率受限时的分配。功率分配的优化方法要根据目标来确定 5。传统的能量源（太阳能、风能、振动能等）因其无法持续稳定的供能，不确定因素较多，不易控制。由于现在我们周围存在着大量的射频信号（蜂窝信号、Wi-Fi 信号等） ，因此，较有应用前景的是从周围的射频信号中收集能量。相对于有线通信网络，在无线通信网络中，衰落、多径和节点的移动等因素都将导致通信环境较差，这极大地影响了无线通信的通信质量和信息传输速率。此外，使用无线网络的用户和无线网络业务不断增多，频谱资源紧缺，这些都要求无线网络具有较高的通信质量与传输速率。传统的无线通信技术已接近香浓极限了 6，为了充分利用无线通信信道的开放性和广播特性，一种利用通信节点间协作行为的技术出现了，即无线协作中继技术。无线协作中继技术可以抵抗信道衰落、扩大网络覆盖范围（用辅助中继） 、改善小区边缘特性、消除覆盖盲点并且可以提高传输速率。协作中继技术基本的思想是利用分布在源点和目的节点周围的其他节点在两者进行通信时建立多条虚拟的空间路线来完成信息的传送。传送过程一般分为两个阶段：一、源节点将信息同时发送到目的节点和中继中；二、中继向目的节点转发来自源节点的信息。因此，综合上述技术背景，在带有能量收集协作中继的多用户传输系统中，研究更佳的传输协议来降低无线传输系统的中断概率，将不仅能提高无线网络系统的通信质量，解决无线通信中的设备能量受限问题，还能一定程度上缓解世界性的能源问题以及降低 CO2的排放。1.2 研究现状1.2.1 能量收集技术能量收集是一种将环境周围分布式能量收集起来并转换成电能的技术 7。常见的可以用于收集的能量有机械能（压电振动、人类活动等） 、热能（地热能、导体间的温度差等） 、光能（太阳能） 、电磁能（如射频信号） 。相比于从传统能源（太阳能、风能、热能等）中收集能量，从周围广泛存在的射频信号中收集能量近些年受到了研究者们的热切关注。当前，国际上已有不少的高校及企业针对射频能量在无线传感器、生物医学电子方面进行研究 89取得较多的研究成果。第一章 绪论3在设计能量收集装置中，必须要充分考虑三个部分：接收部分中的接收天线、灵敏度、接收后能量的转换效率。在接收天线方面，科学研究者经过长时间的研究做了大量的努力已取得不小进步，但是天线的微型化、频谱带问题仍旧没有突破性的进展。因为现在许多无线设备都在追求小型化，因而天线要想在小设备中应用也必须做到微型化才可解决其占用空间大的问题。其次，空中的射频能量较低，频带宽度大，这要求接收天线能够接收到较大带宽的射频信号。能量收集装置工作的最大范围是由装置的灵敏度决定的。射频信号时强时弱，这就要求能量收集装置能够自动适应。当射频信号弱时，需要高灵敏度的能量收集装置来工作。能量收集装置灵敏度主要是由在接收天线和整流器之间的匹配情况、整流器阈值电压的大小决定的。灵敏度方面当前已获得了较大的提高，但在需使用数十级的整流电路中，芯片的面积过大，这衍生了一系列其他复杂问题 10。能量收集装置的转换效率受射频信号强弱的影响，射频信号较强时，能量转换效率相应的较高，但射频功率下降时，效率也降低 11。提高能量转换效率的方法主要有补偿外部阈值、内部阈值和自阈值，这能够加快 MOS 管的导通速度。射频能量收集技术有两种基本的结构。一种是由整流天线、储能元件、DC/CD 转换器、负载组成。第二种是由接收天线、RF/DC 整流器、阻抗匹配电路和负载组成。在发射源的选择上，有两种方法:一、利用周围的射频信号源；二、某些特殊的发射源，如射频信号生成器 12。尽管近十多年来国际上对射频能量收集技术的研究从未断过，但和其他的能量收集技术相比（太阳能、风能等）所进行的研究还还远不够，距离应用还有较大的距离，难点主要在以下几个方面：一、电磁能量收集系统的宽频化；二、天线的尺寸；三、引入功率管理电路适应射频信号的波动性及负载条件的改变；四、射频信号功率密度低、频率范围广与特定发射源的匹配。从现有的研究和发展趋势来看，当前这方面的研究工作在快速进行，可以预见，射频能量收集技术在不久的将来将会给人类生活带来重大的改变。1.2.2 协作中继技术协作中继技术的思想来源于中继通信，1971 年，Van Der Meulen 研究了只有三个终端的无线中继网络 13，协作中继技术最早可以追溯到 1979 年 Cover和 El Gamal 对中继信道容量的研究 14，其中心思想是通过通信网络中空置的第一章 绪论4天线中转信息，以增加有效空间连接的冗余度来得到分集增益。典型的中继结构主要是由源点、中继节点、目的节点组成,且都工作在相同的频段。提出了一个系统可以分为两个信道：广播信道和多址信道，通过随机编码获得出了离散无记忆中继信道的容界量。现如今，典型的三节点中继信道已进一步被扩展了，如多中继信道及多中继多跳协作模型。当前，人们对协作中继的研究方向主要集中在以下几个方面：一、中继位置的选择，在协作中继系统中存在多个中继节点，因每个中继信道的性能不同，这就需要在多个中继中选择其中几个中继参与信息传输，中继的选择依据目标的情况来选择 15；二、多中继传输策略，无线传输系统中存在多个中继同时传输信息，这使得目的节点可以获得最大的分集增益。Laneman 将空时编码的思想引入了多中继系统中，从而获得了全分集增益 16;三、资源分配策略的选择，主要是对时隙、频率、功率的分配，因各节点的半双工模式，单向中继的频谱利用率低，双向中继能提高对频谱的利用 17。在由一个源点，一个中继，一个目的节点组成的典型无线网络传输模型中，Rankov 提出了基于 AF 和 DF 协议的双向中继协作策略，从而提升了网络吞吐量，增加了频谱的利用率。现在，协作通信技术的研究问题包括以下三个方向：一、什么时候进行协作通信,这个中继是否参加协作通信需要根据直接传输路径与协作传输路径的质量好坏来决定；二、中继协作通信的对象是谁。在一般的无线通信网络中，节点是大量存在的，当源点进行信息传输需要中继的辅助时，就需要考虑使用哪些中继节点来辅助信息的传送，而这个需要通过各个方面（如周围环境的状况、节点自身的情况等）的考虑来最终确定使用哪些节点来辅助；三、中继如何处理信息。当中继接收到信息后，大致的处理方式有两类：透明中继和再生中继18国际上许多大学都在对协作中继技术进行研究。如美国德州大学的T.E.Hunter 博士对编码协作、快衰落以及慢衰落信道的误比特率进行了广泛的研究。加拿大卡尔顿大学系统与计算机工程系的 Halim Yanikomeroglu 教授对资源优化分配策略进行了研究，并对多天线协作中继系统的性能进行了分析。丹麦奥尔堡大学通信工程系的 Frank H.P. Fitzek 教授也从另外的方面对协作中继技术进行了研究。1.2.3 论文结构安排论文的主要内容安排如下：第二章将详细地描述基于功率划分的协作多用户传输（PSCMT）协议并且理论性地分析协议的系统中断性能；第三章将提供仿真结果，对结果进