5G〫移动通信与无线功率传输若干关键技术研究

摘要

近年来，人们对移动多媒体服务的需求正不断增长，可以提升数据传输速率和频谱效率的第五代(5G)移动通信已成为通信领域的一大研究热点。毫米波通信可以提供更大的传输带宽，且其波长更短可在收发两端配置更多天线以获得复用增益从而提高数据传输速率。全双工通信可以实现同时同频的数据传输，这极大地提高了频谱效率。因此，毫米波通信和全双工通信已成为5G移动通信的关键技术。同时，为了实现绿色通信减少能量消耗，可以从无线射频信号获得能量的无线功率传输技术带来了一种全新的解决方案。传统的能量收集技术可以从自然资源获得能量但通常很难人为控制，所以不能为无线通信网络提供稳定的能量来源。无线射频信号不仅携带了信息还有能量，无线功率传输技术因其可以从无线射频信号获得能量、提供可靠能量来源、减少系统能量消耗已成为近年来的一个研究热点。除此以外，协作中继技术可以将一段较长的传输链路分割为多段较短的传输链路，这样可以有效地减小路径损耗从而降低能量消耗。因此，将协作中继技术应用于无线传感器网络可以提高系统的能量效率从而延长工作周期。本文首先研究了毫米波通信技术和全双工通信技术以提高5G移动通信系统的数据传输速率和频谱效率，然后将无线功率传输技术和协作中继技术应用于无线传感器网络以提高系统的能量效率。论文的主要贡献包括如下： 1．建立了一种基于均匀线性天线阵列的三维多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)信道模型，研究了毫米波通信系统的性能。当系统容量达到最大时，基于信道的正交条件，推导出了最优天线间距。通过最优天线间距的表达式可以看出系统最优容量与载波波长、天线数、收发天线距离以及天线配置之间的关系。然后，分析了天线数的增加对毫米波通信系统的影响，并发现天线数的增加主要增大了信道的功率增益并没有相应地增加信道空间自由度。我们也定义了偏差因子以研究天线间距偏差对毫米波通信系统容量所带来的变化。最后，为了减小收发均匀线阵的尺寸，构建了天线阵列尺寸最小化问题并获得了相应的最优解：1）收发均匀线阵的长度相等；2）收发均匀线阵位于同一平面且收发天线阵列的中心点连线分别垂直于发射和接收天线阵列。随后，分析了天线阵列配置偏差对天线阵列尺寸的影响 2．通过分析时间和功率的分配来最大化基于无线充电的全双工中继系统的能量效率。系统的整个传输过程可以分为两个阶段：无线功率传输阶段(Wireless Power Transfer Phase，WP)和全双工中继信息传输阶段(Full-Duplex Relay Information Transmission Phase，FP)。针对源节点发射功率相同（即源节点在两个阶段的发射功率相同）的系统，首先证明了功率效率为时间切换因子的一个严格凹函数，并提出了时间分配方案以最大化功率效率。然后，通过推导功率效率对发射功率的导数，给出了功率分配方案以获得最优的发射功率。最后，提出了联合功率和时间分配方案。针对源节点发射功率不同（即源节点在两个阶段的发射功率不相同）的系统，通过分析功率效率的导数提出了最优的时间分配方案以及功率分配方案，并且也给出了联合功率和时间分配方案以最大化功率效率 3．提出了基于单点功率中继的无线解码转发信息传输。在该系统下，信息与功率双中继可以解码转发从用户到接入点(Access Point，AP)的信息，并且辅助从AP到用户的无线功率传输。针对采用功率分割(Power Splitting，PS)协议的中继系统，推导出了可以最大化用户到AP传输容量的最优PS因子闭式表达式。针对采用时间切换(Time Switching，TS)协议的中继系统，提出了时间分配方案以获得可以最大化传输容量的最优TS因子。注意到基于解码转发协议的中继系统传输容量是由中继和AP接收信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)中较小者决定的，这极大地增加了传输容量最大化问题的分析难度同时也使得我们的工作更有意义 4．研究了基于多点功率中继的无线解码转发信息传输的性能。在此系统中，多个信息与功率双中继既可以同时解码转发从用户到AP的信息，也可以辅助完成从AP到用户的无线功率传输。PS协议用以实现对接收信号的功率分割。为了最大化系统的传输容量，我们将多中继系统传输容量最大化问题转化为一个凸优化问题，并获得了分布式功率分配(Distributed Power Allocation，DPA)方案。在多中继系统中，由于所有中继都可以接收到来自AP和用户的信号，因此在不增加额外能量的情况下，多中继系统可以获得分集增益以提升系统性能。

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