發(fā)布時(shí)間：2020-11-20 22:24

　　 為支持智慧家庭應(yīng)用,Femtocell異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中需要部署大量傳感器。射頻(Radio Frequency,RF)能量收集(Energy Harvesting,EH)可通過(guò)無(wú)線信號(hào)為設(shè)備充電,在未來(lái)Femtocell異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中將有廣闊的應(yīng)用前景。由于無(wú)線RF能量與信息都需要依靠無(wú)線鏈路傳輸,會(huì)競(jìng)爭(zhēng)鏈路資源。因此,在Femtocell異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,對(duì)信息和能量傳輸?shù)穆?lián)合優(yōu)化研究尤為重要,主要存在如下挑戰(zhàn):(1)系統(tǒng)信息與能量傳輸參數(shù)間內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜,全局模型難以建立;(2)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、需要聯(lián)合優(yōu)化參數(shù)多,優(yōu)化難度高;(3)獲取全網(wǎng)鏈路狀態(tài)開(kāi)銷大,系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化困難大。強(qiáng)化學(xué)習(xí)通過(guò)智能體與環(huán)境的不斷交互,利用環(huán)境反饋激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行決策和行為的自適應(yīng)調(diào)整,非常適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化應(yīng)用。因此,本文基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論,研究了兩種典型Femtocell異構(gòu)無(wú)線EH網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì),具體創(chuàng)新工作內(nèi)容如下:(1)首先研究了基于WPCN的Femtocell異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),其中傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)收集無(wú)線接入點(diǎn)的RF信號(hào)能量為自身充電。為了實(shí)現(xiàn)在滿足用戶信息傳輸和傳感器充電需求的前提下最大化Femtocell網(wǎng)絡(luò)信息容量的系統(tǒng)目標(biāo),建立了數(shù)學(xué)優(yōu)化模型,通過(guò)調(diào)節(jié)Femtocell發(fā)射功率在有效抑制干擾信號(hào)對(duì)信息傳輸影響的同時(shí)利用干擾信號(hào)為設(shè)備充電。為求解該問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于Q-Learning的自適應(yīng)功率控制算法框架。為提高算法性能,設(shè)計(jì)了基于距離因素和懲罰參數(shù)的分段式獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)。為使設(shè)計(jì)更接近實(shí)際情況,考慮了反應(yīng)實(shí)際電路特性的非線性EH模型的約束。通過(guò)對(duì)不同獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)和超參數(shù)取值下網(wǎng)絡(luò)性能的對(duì)比,給出了網(wǎng)絡(luò)性能行為的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提算法框架的有效性,并且表明基于距離因素和懲罰參數(shù)的分段式獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)具有更好的網(wǎng)絡(luò)性能,同時(shí)顯示采用實(shí)際非線性EH模型可有效避免傳統(tǒng)理想線性EH模型帶來(lái)的偏差。(2)進(jìn)一步研究了更為復(fù)雜和更具普適性的無(wú)線信息與能量同傳(SWIPT)的Femtocell異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),其中無(wú)線接入點(diǎn)通過(guò)射頻信號(hào)在為傳感器節(jié)點(diǎn)充電的同時(shí)將信息傳輸給信息用戶。針對(duì)此種網(wǎng)絡(luò),將功率與SWIPT接收機(jī)功率分割因子進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化,目的是在保證普通信息用戶和充電傳感器的信息與充電需求條件下,最大化Femtocell網(wǎng)絡(luò)信息總?cè)萘�。針�?duì)此問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了基于Q-Learning的自適應(yīng)功率與功率分割因子控制算法框架。為了使設(shè)計(jì)更接近實(shí)際情況,仿真實(shí)驗(yàn)同樣考慮了非線性EH模型的約束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提算法框架的有效性,并給出了不同獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,ε-greedy動(dòng)作選擇策略下的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)于玻爾茲曼動(dòng)作選擇策略,玻爾茲曼動(dòng)作選擇策略適合于動(dòng)作規(guī)模較小的場(chǎng)景。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.5
【部分圖文】：

Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ基于ＩＰ協(xié)議，用戶可以通過(guò)室內(nèi)的電纜或者數(shù)字用戶線路（Ｄｉｇｉｔａｌ??Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ?Ｌｉｎｅ，?ＤＳＬ）等接入到因特網(wǎng)，然后再通過(guò)因特網(wǎng)連接到移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的??核心網(wǎng)上，這種連接方式無(wú)需改變現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)框架。圖１－１所示為Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ網(wǎng)絡(luò)??架構(gòu)圖。Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ基站體積小、成本低，適用于ＣＤＭＡ、ＧＳＭ、ＵＴＭＳ等無(wú)線通??信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)與運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)基站保持同制式、同頻段，因此終端可以通用。??Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ可由用戶自行在家庭或者辦公區(qū)域進(jìn)行部署，由于信號(hào)傳輸距離短，所??以Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ可選擇較小的發(fā)射功率進(jìn)行信號(hào)傳輸，約為１０￣１００?ｍＷ，與ＷｉＦｉ??（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ?Ｆｉｄｅｌｉｔｙ）的ＡＰ?（Ａｃｃｅｓｓ?Ｐｏｉｎｔ）發(fā)射功率相當(dāng)，信號(hào)覆蓋半徑為５０？２００??２??

次提出信息和能量同時(shí)通過(guò)無(wú)線鏈路進(jìn)行傳輸?shù)乃悸罚郏玻矗�。ＳＷＩＰＴ是指無(wú)線接入點(diǎn)??通過(guò)無(wú)線鏈路同時(shí)將信息和能量以射頻信號(hào)的方式發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)??點(diǎn)從接受到的射頻信號(hào)中收集能量并進(jìn)行信息解碼［２５］，如圖１－３所示為ＳＷＩＰＴ工??作示意圖。ＳＷＩＰＴ網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的難點(diǎn)主要有兩方面：一方面需要??設(shè)計(jì)專用的傳感器節(jié)點(diǎn)接收機(jī)硬件電路，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量接收和信息解碼。另??一方面，考慮到能量收集和信息解碼的電路敏感度不同（通常情況下能量接收是－１０??ｄＢｍ，信息解碼是－６０?ｄＢｍ），因此需要分別設(shè)計(jì)能量接收機(jī)和信息接收機(jī)。針對(duì)??上述問(wèn)題，文獻(xiàn)［２６］提出了兩種可以同時(shí)進(jìn)行能量和信息接收的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，分別??為時(shí)間切換（Ｔｉｍｅ?Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，?ＴＳ）接收機(jī)和功率分割（Ｐｏｗｅｒ?Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ，ＰＳ）接收??機(jī)。ＴＳ接收機(jī)結(jié)構(gòu)是將傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的射頻信號(hào)分成兩個(gè)正交時(shí)間段進(jìn)行接??收，第一個(gè)時(shí)間段進(jìn)行能量收集，第二個(gè)時(shí)間段進(jìn)行信息解碼。ＰＳ接收機(jī)結(jié)構(gòu)是??將傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的射頻信號(hào)通過(guò)功率分割器分割成兩部分，一部分信號(hào)用于??能量收集（假設(shè)功率分割因子為Ｐ）

傳感器節(jié)點(diǎn)丨（１））?＾??ＰＣｓ??無(wú)線接入點(diǎn)?一￣?！??圖１－２ＷＰＣＮ工作示意圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＷＰＣＮ??（２）?ＳＷＩＰＴ?方式??由于無(wú)線射頻信號(hào)中既可以傳輸信息也可以攜帶能量，Ｖａｒｓｈｎｅｙ于２００８年首??次提出信息和能量同時(shí)通過(guò)無(wú)線鏈路進(jìn)行傳輸?shù)乃悸罚郏玻矗�。ＳＷＩＰＴ是指無(wú)線接入點(diǎn)??通過(guò)無(wú)線鏈路同時(shí)將信息和能量以射頻信號(hào)的方式發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)??點(diǎn)從接受到的射頻信號(hào)中收集能量并進(jìn)行信息解碼［２５］，如圖１－３所示為ＳＷＩＰＴ工??作示意圖。ＳＷＩＰＴ網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的難點(diǎn)主要有兩方面：一方面需要??設(shè)計(jì)專用的傳感器節(jié)點(diǎn)接收機(jī)硬件電路，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量接收和信息解碼。另??一方面，考慮到能量收集和信息解碼的電路敏感度不同（通常情況下能量接收是－１０??ｄＢｍ，信息解碼是－６０?ｄＢｍ），因此需要分別設(shè)計(jì)能量接收機(jī)和信息接收機(jī)。針對(duì)??上述問(wèn)題，文獻(xiàn)［２６］提出了兩種可以同時(shí)進(jìn)行能量和信息接收的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，分別??為時(shí)間切換（Ｔｉｍｅ?Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ
【參考文獻(xiàn)】

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2 魯蔚鋒;祁彥川;何利文;陳思光;;Femtocell網(wǎng)絡(luò)干擾抑制技術(shù)綜述[J];電信科學(xué);2014年05期

3 穆施瑤;朱琦;;家庭基站系統(tǒng)中的聯(lián)合信道與功率控制算法[J];通信學(xué)報(bào);2014年04期

4 黃學(xué)良;譚林林;陳中;強(qiáng)浩;周亞龍;王維;曹偉杰;;無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2013年10期

5 肖竹;李仁發(fā);易克初;張杰;;兩層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中femtocell研究進(jìn)展與展望[J];通信學(xué)報(bào);2013年02期

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本文編號(hào)：2892080