MIMO系統(tǒng)無線信息與能量同傳技術(shù)研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展和通信需求的提高，通信終端的數(shù)目迅速增加，終端的充電需求也隨之增加。傳統(tǒng)的終端多采用電池或電纜供電，然而，由于電池的使用壽命有限，頻繁更換或充電限制了通信系統(tǒng)的持續(xù)運行，并且大量充電設(shè)備也給環(huán)境造成了一定污染，因此，迫切需要新型的充電方式。無線能量傳輸通過電磁波來實現(xiàn)穩(wěn)定的能量傳輸，可以避免充電電纜的使用。由于電磁波可以同時傳輸信息，因而無線信息與能量同傳可以實現(xiàn)射頻信號的充分利用。為了提高無線信息與能量同傳的

2、效率，在實際的多天線系統(tǒng)中，發(fā)送端需要利用信道狀態(tài)信息進(jìn)行波束賦型，而信道狀態(tài)信息的獲取是通過接收端上行訓(xùn)練（時分雙工系統(tǒng)）或反饋量化信道（頻分雙工系統(tǒng)）來實現(xiàn)。但是由于信道的時變特性以及量化、反饋誤差的存在，使得信道估計不準(zhǔn)確，并會產(chǎn)生一定的能量開銷，影響系統(tǒng)性能。針對這一問題，本文提出了一種新型的基于空間調(diào)制的無線信息與能量同傳系統(tǒng)，并對MISO SWIPT系統(tǒng)優(yōu)化導(dǎo)頻長度和接收端時間、功率分配來使系統(tǒng)獲得最大的可達(dá)容量進(jìn)行了進(jìn)一步

3、的研究。論文的主要工作和創(chuàng)新點總結(jié)如下:
　　(1)提出了一種基于空間調(diào)制的無線信息與能量同傳系統(tǒng)，并通過優(yōu)化接收端功分因子來最大化系統(tǒng)的吞吐量。開環(huán)的MIMO系統(tǒng)有空間復(fù)用、空間分集以及空間調(diào)制三種模式，前兩者在同一時隙需激活所有的天線，會產(chǎn)生較大的射頻鏈路的能量開銷，并且由于信號在不同的天線發(fā)出會產(chǎn)生較大的共道干擾。而空間調(diào)制在一個時隙內(nèi)只激活一根天線（只需一個射頻鏈路），因而可以減少能量開銷和共道干擾。本文設(shè)計了一種基于空間

4、調(diào)制的無線與能量同傳系統(tǒng)模型，并提出了一種迭代功率分配算法，在收割能量門限約束下，使系統(tǒng)獲得最大吞吐量。通過與SIMO SWIPT和進(jìn)行能量波束賦型的MIMO SWIPT進(jìn)行比較可知，在相同的頻譜效率下，本文提出的基于空間調(diào)制的無線信息與能量同傳能夠獲得更好的吞吐量-收割能量性能。
　　(2)研究了采用上行發(fā)送導(dǎo)頻序列進(jìn)行信道估計的大規(guī)模天線MISOSWIPT系統(tǒng)的可達(dá)速率最大化問題。對于大規(guī)模天線的MISO無線信息與能量同傳系統(tǒng)

5、，在時分雙工模式下，將一個相干時間分為上行訓(xùn)練、下行信息和能量同傳兩個部分，發(fā)送端需要利用上行發(fā)送導(dǎo)頻序列進(jìn)行信道估計，并利用信道狀態(tài)信息進(jìn)行波束賦型以對抗信道衰落，接收端采用時間轉(zhuǎn)換和功率分配兩種模式來解調(diào)信息和收割能量，其收割的能量用于信息解調(diào)和下個相干時間的上行導(dǎo)頻發(fā)送。在保證能量約束的條件下，通過優(yōu)化相干時間內(nèi)的導(dǎo)頻長度以及功率分配/時間分配因子，使系統(tǒng)獲得最大的通信速率。本文提出了迭代最優(yōu)導(dǎo)頻長度和功分/時分因子搜尋算法，并通