基于非线性能量采集模型的多中继协作系统资源分配方法研究

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1、工程硕士学位论文基于非线性能量采集模型的多中继协作系统资源分配方法研究作者姓名余佳杏工程领域电子与通信工程校内指导教师冯义志副教授校外指导教师谢云高级工程师所在学院电子与信息学院论文提交日期2018年4月ResearchonResourceAllocationaboutNon-linearEHModelinMulti-RelaysCooperativeSystemADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：YuJiaxingSupervisor：A

2、P.FengYizhiSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TN925.1学校代号：10561学号：201521009644华南理工大学硕士学位论文基于非线性能量采集模型的多中继协作系统资源分配方法研究作者姓名：余佳杏指导教师姓名、职称：冯义志副教授申请学位级别：工程硕士学科专业名称：电子与通信工程论文形式：□产品研发□工程设计√应用研究□工程/项目管理□调研报告研究方向：无线能量收集论文提交日期：2018年04月12日论文答辩日期：2018年

3、06月02日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：林耀荣高级工程师委员：林奕琳高级工程师宁更新副教授冯义志副教授张军副教授摘要在无线通信网络中，无线中继技术已然成为有效扩展无线通信覆盖范围和实现协作分集的关键技术。然而，该技术由于中继容量和使用寿命有限而受到了极大地限制。考虑到无线射频（RadioFrequency,RF）信号具有同时携带信息和能量这一特性，目前，已有许多研究提出将无线携能通信（SimultaneousWirelessInformationandPowerTra

4、nsfer,SWIPT）技术作为能量受限中继续航问题的有效解决方案。在应用SWIPT技术的多中继协作系统资源分配的众多方法中，通常考虑的是线性能量采集（EnergyHarvesting,EH）模型。然而，据已有研究表明，实际EH电路的输入-输出特性为非线性，若继续采用线性EH模型进行资源分配算法设计，将导致总收获能量会有一定损失，使得资源分配效果无法达到实质最佳。因此，本文针对单/多中继协作通信系统资源优化分配问题，分别提出中继EH电路在基于非线性模型时的两种不同的解决方案，具体研究工作如下：1、为解决基于

5、非线性EH模型的单中继资源优化分配问题，本文提出一种关于中继发送功率与功率分割因子联合优化资源分配算法。首先，考虑放大转发（Amplify-and-Forward,AF）和解码转发（Decode-and-Forward,DF）这两种信息转发机制，对基于非线性EH模型的单个能分AF/DF中继资源分配问题分别进行建模，最终将这两种问题转化为凸问题，可通过凸优化算法求得关于中继发送功率与功率分割因子这两者的联合最优解，对比分析仿真结果得出这两个主要结论：（1）在实际中继协作系统应用场景中，针对最大化AF/DF系统

6、速率这一目标，非线性EH模型优于线性EH模型，从而验证了应用非线性EH模型的必要性；（2）对基于非线性EH模型下的AF/DF中继系统资源分配结果分析，应用该联合优化资源分配算法求得的最大系统速率，比采用固定能分系数时仅考虑中继发送功率的单一优化资源分配算法整体效果要好。2、为解决基于非线性EH模型的多中继资源优化分配问题，本文提出一种关于中继选择因子、中继发送功率与功率分割因子这三者联合优化资源分配算法。首先，对基于非线性EH模型的多个两跳中继协作通信系统的资源分配问题进行建模。然后，通过分析该最优化模型得

7、出其目标问题为非线性整数规划问题，通过穷搜索法或是转为凸优化求解该问题的算法复杂度过高。因此，本文提出采用遗传算法作为多中继选择策略，并结合中继发送功率与功率分割因子联合优化功率分配算法，来求解该资源优化分配问I题。通过给出详细算法步骤以及相关参数设置，并分析仿真结果得出结论：同样考虑结合中继发送功率与功率分割因子联合优化功率分配算法，相对应用满参与中继选择策略、或选取最佳单中继选择策略这两种多中继选择策略而言，应用遗传算法作为多中继选择策略来解决基于非线性EH模型的多中继资源优化分配问题，其结果表明本文提

8、出的三者联合优化算法是在牺牲小部分系统最大传输速率的情况下获取了更大的能量效率，此时的系统性能也有显著提升，从而验证了该算法的有效性。关键词：中继协作通信；无限携能通信；能量采集；功率分配；中继选择IIABSTRACTOntheresearchofwirelesscommunicationnetworks,wirelessrelaytechnologyhasbecomeakeytechnologyforeffec