塊長有限的能量采集無線通信系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化.pdf

1、Energy Harvesting無線通信系統(tǒng)從周圍環(huán)境中收集清潔的可再生能源并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芤怨┬畔鬏斒褂?。與不使用能量收集技術(shù)的傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)相比較，其具有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢:第一，Energy Harvesting無線通信系統(tǒng)使用清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電能，從根本上解決了無線通信過程中的二氧化碳排放問題，是實現(xiàn)綠色通信的一項重要技術(shù)手段;第二，Energy Harvesting無線通信系統(tǒng)的能量來自于周圍環(huán)境，這幫助其擺脫了電網(wǎng)的束縛，

2、使得人們?yōu)闊o電網(wǎng)覆蓋的偏遠(yuǎn)或者環(huán)境惡劣地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)成為了可能;第三，Energy Harvesting無線通信系統(tǒng)的能源是可再生的，因此如果使用能量收集技術(shù)替代容量有限的電池來為無線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等等電池供電的系統(tǒng)提供能量，可以幫助其突破電池容量的限制，大大延長網(wǎng)絡(luò)的整體工作壽命?；谏鲜鋈c(diǎn)優(yōu)勢，Energy Harvesting無線通信系統(tǒng)近年來受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。
　　在本文中，我們針對一些典型場景下的Ene

3、rgy Harvesting無線通信系統(tǒng)，分析其在系統(tǒng)塊長度有限情況下的一些基本性能以及優(yōu)化方法。之所以對塊長度有限這一情況進(jìn)行討論主要出于以下兩點(diǎn)考慮:第一，現(xiàn)在的無線網(wǎng)絡(luò)中存在這大量的短包業(yè)務(wù)，這種情況下為了提升網(wǎng)絡(luò)性能同時避免資源浪費(fèi)，我們需要尋找、設(shè)計與之相適配的有限的系統(tǒng)塊長度;第二，Energy Harvesting無線通信系統(tǒng)的能量具有隨機(jī)性，過長的塊長度明顯會帶來時頻資源的浪費(fèi)同時引入額外的時延等等，然而我們可以通過設(shè)計

4、與其能量供給模型相適配的系統(tǒng)塊長度來盡可能的消除能量隨機(jī)性對系統(tǒng)性能帶來的影響。
　　本文的研究內(nèi)容主要分為三個部分，分別針對點(diǎn)到點(diǎn)、兩點(diǎn)到點(diǎn)（兩個發(fā)送端一個接收端）以及多點(diǎn)到點(diǎn)（多個發(fā)送端一個接收端）三種典型場景下的Energy Harvesting無線通信系統(tǒng)展開研究，每一部分包含若干個研究點(diǎn)。本文的主要貢獻(xiàn)如下:
　　(1)針對點(diǎn)到點(diǎn)的Energy Harvesting無線通信系統(tǒng)，本文主要研究解決了如下三個問題:首先

5、我們分析了Energy Harvesting無線通信節(jié)點(diǎn)的能量供給模型，給出了其能量隊列隊長的具體分布;其次，在上述能量供給模型的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步研究得到了該系統(tǒng)在給定塊長度下的一個可達(dá)碼率，并給出了閉式表達(dá)式，隨后分析討論了該可達(dá)碼率與系統(tǒng)塊長度之間的關(guān)系。最后，我們對該系統(tǒng)的平均時延展開了研究并給出了平均時延的下界。該部分研究內(nèi)容的重要意義在于，我們率先揭示了Energy Harvestiong無線通信系統(tǒng)的碼率和平均時延與有限的

6、塊長度之間的關(guān)系，為實際Energy Harvestiong無線通信系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化過程中某些重要參數(shù)的選擇提供了可靠的理論依據(jù)。
　　(2)兩點(diǎn)到點(diǎn)的Energy Harvesting無線通信系統(tǒng)事實上構(gòu)成了一個兩用戶的多接入信道。針對這樣一個系統(tǒng)，本文主要研究解決了如下兩個個問題:第一，我們研究分析了塊長有限情況下該系統(tǒng)的容量域，并給出了精確的閉式表達(dá)式;第二，我們研究分析了該系統(tǒng)在塊長有限情況下的穩(wěn)定域，同樣得到了精確的閉式

7、表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了該穩(wěn)定域與有限的塊長度之間的關(guān)系。這一方面填補(bǔ)了這一領(lǐng)域的研究空白，另一方面同樣為實際Energy Harvesting無線通信系統(tǒng)設(shè)計提供了重要的理論依據(jù)。
　　(3)對于多點(diǎn)到點(diǎn)塊長有限Energy Harvesting無線通信系統(tǒng)，為了確保盡可能多的發(fā)送節(jié)點(diǎn)可接入系統(tǒng)正常工作，本文創(chuàng)造性的設(shè)計了一種帶有軟移除機(jī)制的分布式功率控制算法(EHPC)。軟移除是指將某個通信節(jié)點(diǎn)的傳輸功率降到很低但并不