基于能量采集技术的OFDM系统资源优化

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正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是第四代移动通信系统的关键技术,是实现高速无线数据通信的良好方法。然而,随着大众对高数据速率业务需求的增加,伴随来的是世界能源使用量的激增。在化石能源的储量日益减少,环境进一步恶化的情况下,从2008年开始,绿色通信与网络成为通信领域的研究热点。能量采集技术(Energy Harvesting)作为一种很有前景的绿色通信技术成为了近几年的研究热点问题。本文主要利用同步无线信息和功率传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术和混合能量采集技术对OFDM系统资源优化问题展开了研究:针对基于SWIPT技术的AF-OFDM系统多维资源优化问题,建立了中继配有射频能量采集器的单小区单中继多用户的OFDM下行系统模型。为了使总体可达率最大化,联合优化多个自由度(功率分配、子载波-用户分配、增量策略、功率分割比),并同时考虑传输功率和用户服务质量约束。该优化问题是一种混合整型非线性问题,求解具有极高的计算复杂度,为了在性能和复杂度之间实现良好的平衡,我们提出了一个次优解决方案。仿真验证了优化问题的收敛性,并且将提出的算法与穷举算法、不同的退化算法进行对比,结果显示提出的算法是一个渐进次优解,复杂度低,比所有的退化算法性能都好,并且更具鲁棒性。此外,在求解该非凸优化问题时,我们证明了该优化问题即使是非凸的,其对偶间隙也为零,可以使用拉格朗日对偶理论,并采用次梯度算法来对目标函数进行更新,每次迭代过程中对优化变量进行一一求解。针对基于混合能量采集技术的OFDM系统下行链路多用户资源优化问题,建立了单小区、多用户的系统模型。考虑到基站在任何通信网络里能耗占比影响巨大,因此基站由可再生能源与稳定的电网协同供电,充分利用可再生能源,降低了基站碳排放量。在上述模型下,本文设计了以最大化系统能量效率为目标,以子载波分配、发射功率和基站电路消耗功率为变量的优化问题,对动态能量采集过程和信道状态时变过程建模,考虑采集能量因果约束、电池容量约束和以及用户间速率的比例常数要求,最终在保证用户间公平性的同时提高系统的能量效率。仿真验证了优化问题的有效性。
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