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能量收集点对点传输系统的传输能效优化技术研究

摘  要

随着科学技术的发展，信息技术已经渗透到了人类生产和生活的各个方面。无线传感技术受到了各界的密切关注。然而，无线传感网中有着一个巨大的挑战——能量问题。无线传感网的很多应用场景都需要传感设备有很长的寿命，然而现有的传感设备大多用电池供电，其能量有限，不能维持很长的工作时间。近几年来，人们考虑采用可再生能源（如光能、风能、电磁场辐射、潮汐能等）来为无线通信节点供能。能量收集技术由此产生。

能量收集技术指的是设备从环境中收集分布式能量并将其转化为电能供自己使用。同传统的网络相比，采用能量收集技术的网络可以有效地降低网络的成本，减少环境污染。与此同时，环境能量的多样性和动态性给网络能量的管理带来了新的挑战。本设计拟点对点传输系统的传输能效问题，通过建立能量收集模型和能效消耗函数，设计最优化模型来描述能效优化问题。进而，通过求解最优化问题，找到最优的传输策略。

本文将无线能量传输技术用于点对点通信系统，提出了一种新的传输系统架构。本文主要分析了新的系统在“收集-使用”模式以及“收集-存储-使用”模式两种情况下的系统吞吐量情况，找到最优的功率分配方案，使得系统吞吐量达到最大。

关键词：点对点通信，能量收集技术，无线能量传输，吞吐量，信道衰弱

 

Abstract

With the development of science and technology, information technology has penetrated into all aspects of human life and production. The technology of wireless sensor network has received close attention from all walks of life. However, there is a huge challenge of energy problems in wireless sensor networks. Many applications in wireless sensor networks often need sensing devices have a long life, however, the existing sensor devices often use battery power supply, its energy is limited, can not maintain long working time. In recent years, people consider the use of renewable energy (such as solar energy, wind energy, tidal energy and electromagnetic radiation, etc.) for wireless communication node for energy. The resulting energy collection technology.

Energy harvesting technology refers to the collection of distributed equipment from the environment and energy into electricity for their own use. Compared with the traditional network, can effectively reduce the network cost by using the energy collection network, reduce environmental pollution. At the same time, environmental energy diversity and dynamic energy management network to bring new challenges to the design of the proposed. The transmission efficiency of point transmission system, consumption function through the establishment of energy collection model and energy efficiency, the optimal design model to describe the energy efficiency optimization problem. Then, by solving the optimization problem to find the optimal transmission strategy.

The application of wireless energy transmission in point-to-point communication system, we propose a new system architecture. This paper analyzes the new system in "collection - use" and "collection storage use" model under the condition of system throughput, find the optimal power allocation scheme, the maximum system throughput.

Key words: point-to-point communication, energy harvesting technology, wireless energy transfer, throughput, Channel breakdowns

 

目  录

第一章 绪论 4

1.1  课题背景及研究的目的和意义 4

1.2  国内外研究现状 4

1.3  论文研究内容 5

第二章 基本概念和理论基础 6

2.1 点对点通信 7

2.2  无线信道传播特性及分类 7

2.2.1  大尺度衰弱 8

2.2.2  小尺度衰弱 9

2.3  注水定理 10

2.4  瑞利分布 10

第三章 系统架构和系统模型 12

3.1  系统架构 12

3.2  系统模型 13

第四章 算法设计及系统性能分析 14

4.1  算法设计 14

4.1.1  “收集-使用”模式下的最佳功率分配 14

4.1.2  “收集-存储-使用”模式下的最佳功率分配 16

4.2  系统性能分析 16

第五章 总结与展望 18

5.1  文章总结 18

5.2  未来展望 18

参考文献 19

附录1 程序清单 22

附录2 专用术语注释表 23

致谢 24

第一章 绪论

1.1  课题背景及研究的目的和意义

随着科学技术的发展，信息技术已经渗透到了人类生产和生活的各个方面。无线传感技术受到了各界的密切关注。然而，无线传感网中有着一个巨大的挑战——能量问题。无线传感网的大多数应用场景都需要传感设备有很长的寿命，然而现有的传感设备大多使用电池来供电，其能量有限，无法维持很长的工作时间。近些年来人们考虑采用可再生能源（比如光能、风能、电磁场辐射、潮汐能等）来为无线通信节点提供能量。能量收集技术由此产生。

能量收集技术指的是设备从环境中收集分布式能量并将其转化为电能供自己使用。同传统的网络相比，采用能量收集技术的网络可以有效地降低网络的成本，减少环境污染。与此同时，环境能量的多样性和动态性给网络能量的管理带来了新的挑战。本设计拟点对点传输系统的传输能效问题，通过建立能量收集模型和能效消耗函数，设计最优化模型来描述能效优化问题。进而，通过求解最优化问题，找到最优的传输策略。点对点传输系统的能效研究不仅为网络能效的研究提供研究支撑，还可以将研究结果扩展到分布式网络中。因此本设计的研究成果不仅可以提高网络的传输效率，实现节能减排的目的，还为未来复杂网络场景研究提供理论支撑和技术指导。

1.2  国内外研究现状

对能量收集技术的研究从很早就开始进行，但是因为以往的社会对能量收集技术的需求不太强烈并且其相关的技术并不成熟，所以早期对能量收集技术的研究进展较为缓慢，且这些研究主要局限在应用层面上，未能针对无线传输机制如何来适应可再生能源这一问题进行深入地探讨。近年来，由于化石燃料消耗严重，节能减排已然成为国际社会的共识，传感器网络技术快速发展，刺激了学术界在能量收集技术方面的研究，可再生能源在蜂窝网、智能电网、物联网的应用上获得了越来越多的关注，引发了一系列的研究，也获得了一些很有价值的研究成果。

文献[1]详细介绍了能量收集技术中各能源的基本特征。另外还有两种常用的能量到达模型——归一化马尔科夫过程和静态马尔科夫过程。然后又对各种不同场景下的能量管理技术均进行了详细介绍。最后，笔者提出了一种应用于认知场景下的能量分配算法并且进行了仿真和性能分析。

文献[2]和文献[3]分别详细综述了电磁能量收集技术的现状及发展趋势和太阳能无线传感器网络节点传输功率的优化策略。

文献[4]结合能量收集技术，研究了放大转发双向中继网络的系统性能。基于该系统中的两个端到端信噪比平衡准则，推导出了单中继选择情况下信源最优的功率分配方案和终极最优的能量收集比例。

文献[5]中利用能量收集技术改造了无线传感网中的传感节点，为其组成设计了一个新的架构。作者分析了基于能量收集技术的无线传感节点在设计时的目标和需要满足的条件等等。对于能量收集技术的应用，笔者给出了三种常见模式并分析了三种模式各自的特性。针对“收集-存储-使用”模式进行了进一步的运作功率分析，找到了最佳功率分配方案。

文献[6]针对周期性数据收集无线传感器网络应用，提出了一个能量收集无线传感网络路由协议EHRP。

文献[7]将协作中继技术与能量收集技术相结合，并将其运用到多用户传输系统中。研究了能量收集中继协作的多用户传输网络的中断性能。

文献[8]主要研究动态能量获取下无线通信的能量管理与资源优化，给出了已知能量到达和信道变化条件下的最优离线功率控制算法：双注水法。

文献[9-10]主要研究了无线系统的能量分配和能量收集管理技术。

1.3  论文研究内容

随着科学技术的发展，信息技术已经渗透到了人类生产和生活的各个方面。无线传感技术受到了各界的密切关注。然而，无线传感网中有着一个巨大的挑战——能量问题。无线传感网的大多数应用场景都需要传感设备有很长的寿命，然而现有的传感设备大多使用电池来供电，其能量有限，无法维持很长的工作时间。近些年来人们考虑采用可再生能源（比如光能、风能、电磁场辐射、潮汐能等）来为无线通信节点提供能量。能量收集技术由此产生。

能量收集技术指的是设备从环境中收集分布式能量并将其转化为电能供自己使用。同传统的网络相比，采用能量收集技术的网络可以有效地降低网络的成本，减少环境污染。基于能量收集的系统中的节点通过收集环境中的能量，以实现对自身能量的补充，改善网络能量供给，是未来无线网络中受到普遍关注的一种能量的管理方式。在点对点系统中，利用节点收集的能量，通过分配节点的发送功率，来降低节点能量的溢出，改善传输能效，为基于能量收集技术的传输系统的能量管理提供理论指导。本设计要求，给定能量收集速率和节点能量缓存容量时，找出最佳功率控制策略，实现节点传输能效最大化。在此基础上，利用MATLAB仿真软件验证分析结果。

本文将无线能量传输技术用于点对点通信系统，提出了一种新的传输系统架构。本文主要分析了新的系统在“收集-使用”模式以及“收集-存储-使用”模式两种情况下的系统吞吐量情况，找到最优的功率分配方案，使得系统吞吐量达到最大。

参考文献
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[3] 刘丽萍,安新升,张强,石高涛. 太阳能无线传感器网络节点传输功率优化策略[J]. 哈尔滨工业大学学报,2015,(09):36-41.
[4] 李玮,丁长文,杨霖. 能量收集双向中继网络的中继选择和功率分配[J]. 电讯技术,2016,(11):1255-1259.
[5] 朱翀. 基于能量收集技术的无线传感网能量传输优化设计[D].南京邮电大学,2015.
[6] 张华良,王军,于海斌,曾鹏. 一个能量收集无线传感器网络路由协议[J]. 小型微型计算机系统,2011,(07):1277-1280.
[7]  杜冠瑶,熊轲,裘正定. 基于能量收集的协作中继传输性能[J]. 吉林大学学报(工学版),2015,(03):979-984.
[8]周盛,龚杰,王晓磊,牛志升. 动态能量获取下无线通信的能量管理与资源优化[J]. 中国科学:信息科学,2012,(10):1217-1230.
[9] 朱先飞,柯峰,杨德利,张钺. 能量捕获无线通信系统的在线式动态能量分配[J]. 南京邮电大学学报(自然科学版),2015,(02):74-78.
[10] 胡冠山,姚彦青. 无线网络传感器能量收集管理技术[J]. 传感器世界,2006,(03):33-36.