环境反向散射通信多发多收网络中接入选择与调度传输方法研究

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在未来无线通信网络中,不同制式的蜂窝网络和其它通信系统将长期共存,以满足不同用户设备的不同需求。快速增长的海量连接给未来无线通信带来了新挑战。这些不同种类的异构通信网络部署和多基站多终端的分布使得通信网络变得非常复杂,在复杂网络下进行用户接入、资源调度和传输控制也变得极为棘手。如何在有限通信资源的情况下提高未来无线网络的接入能力,成为研究学者们有待解决的问题和重要的研究方向。反向散射通信是实现低功耗无线通信系统的关键技术之一,反向散射发射器通过调整天线的负载阻抗将其信息序列映射到射频源(Radio Frequency,RF)信号,向接收器发送数据。其中,环境反向散射通信(Ambient Backscatter Communication,ABCom)是新兴的一种通信方式,它可以利用环境射频源信号进行反向散射,不消耗自身能量,不需要依靠固定射频源,某种程度上可以实现多个设备在时间、空间、频谱多层面的共存,增强无线网络接入能力,在未来无线网络中有巨大的应用前景,成为许多学者关心研究的新领域。对环境反向散射通信的研究将有利于提高无线网络接入能力。本论文的主要研究工作将围绕环境反向散射通信多发多收网络中接入选择与调度传输方法展开,主要工作包括以下三部分。第一,针对通信网络中大量接收器发射器通信需求和环境反向散射通信研究场景单发单收的局限性,提出了一种多发射机多接收机环境反向散射通信系统。该系统允许多个发射机接收机之间同时通信。应用的传输协议基于频分复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)和时分复用(Time Division Multiplexing,TDM),减少了通信对之间的相互干扰。针对提出的多发多收系统,设计了一种基于优先级的接入策略,以解决该系统中的用户关联问题。所提策略在有功率限制的情况下,根据供电链路预算和反射链路预算,集中处理功率信息,实现尽可能多的反射器接收器通信对,最大化系统通信容量。系统仿真结果表明,提出接入策略比基线策略具有更好的收敛性。它实现了相对更优的通信容量和次优的比特率。而且,它的复杂度较低,总的时间复杂度为O(N),其中N是接收器的数量。此外,在发射器密度取值0.5-4个/平方米的情况下,当接收器密度取值0.02个/平方米时,仿真系统同时实现了最大系统容量和比特率。第二,针对上述提出的环境反向散射通信多发多收系统中时间资源调度的问题,首先建立了时间资源的对应模型。系统内时间资源以帧为单位,每帧包括若干个时隙,时隙是时间资源的最小分配单位。然后提出该时间资源模型下的动作矩阵,矩阵内元素代表了通信对在每个时隙下的对应动作。提出的动作矩阵很好的表征了时间资源调度策略。最后引入遗传算法,以系统吞吐量最大为目标,制定了基于遗传算法的时间资源调度策略。通过系统仿真验证可以得到,提出的基于遗传算法的时间资源调度方案在通信对数量、射频源发射能量、被动反射速率三个维度下均实现了相对基线方案更优的系统吞吐量。另外,在这三个维度下,多通信对系统相比单通信对系统分别可以带来平均82%、64%、47%的吞吐量性能提升,这说明了多通信对系统允许多个通信对同时通信带来的性能优越性。第三,考虑到环境反向散射通信多发多收系统中设备的差异性,不同种类设备会具有不同的服务质量需求(Quality Of Service,QoS)。而且设备的QoS主要体现在传输速率、时延、优先级上,这些都跟传输息息相关。因此,研究了如何在满足设备QoS的前提下制定传输控制策略,更好地利用设备收集到的能量,最大程度地提高能效。提出了一种二阶段在线拍卖传输权的方案,该策略主要基于拍卖的基本思想。拍卖参与者是系统中各个通信对,拍卖物品是系统中各个阶段传输权,由于主被动两种通信模式的存在,各个阶段将会有1被动3主动的传输权竞争。仿真结果表明,提出算法实现了三种对比方案(拍卖算法、队列传输、最大信噪比传输)中的最大能效,同时满足了所有设备的QoS需求,获得了 QoS最高评分。
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