【摘 要】
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物联网终端的可持续供能问题是物联网普及应用中的一项重要挑战。无线数据与能量协同传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术的核心是通过远场无线电磁信号实现信息信号与能量信号的协同传输,达到传输能量、节约频谱资源、减少基础设施重复投资的目的。由于宽带信号的发射功率严格受限,极大制约了传统单一宽带信号体制SWIPT系统
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物联网终端的可持续供能问题是物联网普及应用中的一项重要挑战。无线数据与能量协同传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术的核心是通过远场无线电磁信号实现信息信号与能量信号的协同传输,达到传输能量、节约频谱资源、减少基础设施重复投资的目的。由于宽带信号的发射功率严格受限,极大制约了传统单一宽带信号体制SWIPT系统的能量传输范围。因此,产生了混合信号体制(Hybrid-Signal System,HSS)的SWIPT系统。其发射信号由高功率的窄带能量信号和较低功率的宽带信息信号组成,共用同样的频段和发射端。HSS-SWIPT系统能够扩大能量传输范围,但也带来发射端功放非线性失真的新问题。本文针对HSS-SWIPT系统的非线性失真问题进行研究,主要研究内容与贡献包括以下三点。1、针对SWIPT系统发射端,考虑A类及B类功放的Saleh、多项式两种非线性失真模型,采用发射信号信息与噪声失真比(SNDR)及发射功放转换效率分别作为信息传输质量与能量传输效率的性能指标,推导出了两个性能指标的理论公式并仿真得到了其折中关系。研究发现每5dB的SNDR增加将带来5%到10%的能量效率损失,且在SNDR较低的情况下损失较多。2、针对SWIPT系统接收端,假设OFDM叠加多音正弦的信号体制,把确定性干扰信号消除与朴素干扰避免作为信息接收机干扰消除功能的上下界,分析了信息接收机误码率(BER)在多项式功放下与信息信号SNR、能量信息信号功率比、多音信号间隔的关系。研究发现BER主要受SNR的影响,能量信息信号功率比的影响作用有限,多音信号间隔较大时能够达到更好的BER性能。3、针对SWIPT的完整收发系统,计算了从发射端功放能耗到接收端收割能量的端到端能量转移效率,分析了 BER与端到端能效的折中关系并界定了 BER与能效的折中区域。研究发现能量效率的最高值主要取决于多音信号间隔,而折中曲线的斜率主要取决于信息信号的SNR值。在中低SNR范围(SNR<10dB),微小的BER损失能够换取较大的能效增益。本文的分析阐明了混合信号体制SWIPT系统中的关键性能指标间的折中关系,能为系统工程设计提供有益的指导。
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