无线携能通信系统中基于人工噪声的波束成形算法研究

在存在多天线窃听者的情况下,研究了无线携能通信系统的物理层安全传输问题。传统上,人工噪声方案是一种保证物理层安全通信的有效策略。因此,提出了一种人工噪声辅助的波束成形算法,以提高信息与能量联合传输的安全性。该算法在满足多项约束（接收端能量采集门限、信息泄漏控制指标和发送功率）的基础上,通过优化波束成形预编码矩阵和人工噪声实现无线携能通信系统的物理层安全通信。在数学上该算法是一个非凸优化问题,不易求解。为此,首先引入最小均方误差接收算法和连续凸近似方法将其转换为凸的二阶锥规划子问题,然后对该凸问题进行迭代求解。仿真结果表明,该算法能够在保证窃听者无法解码信息的同时,实现信息和能量的联合传输,并且算法收敛速度快。     

无线携能通信下mmWave协作通信小单元的能效最优策略

针对无线携能通信(SWIPT)网络中的能量与信息同时传输阶段的优化问题,以最大化链路能量效率为目标,提出一种SWIPT下mmWave协作通信小单元的能效最优策略。该策略在最小链路传输速率和最小收集能量的联合约束下,在能量受限型用户设备的接收端采用功率分流工作模式,通过优化发射功率控制和功率分流因子,最大化系统链路能量效率。针对原问题是一个非凸的分式规划问题,具有NP难性质,采用Dinkelbach方法将目标函数转化为易于求解的凸优化问题,并设计一个交叉迭代的算法求出最优解。仿真实验结果表明,提出的策略在优化系统能量效率性能上要优于传统功率控制方法和最大发射功率法。     

无人机辅助的无线传感网络AoI最小化方案研究

针对无线传感器网络中海量数据处理过程中信息新鲜度问题,基于无人机飞行速度、高度、避碰和可靠传输等约束,以系统信息年龄AoI为考核参数提出了一种联合采集点选择、轨迹优化及无人机工作时间权衡的AoI最小化非凸优化方案。以一个多无人机在同频段条件下为多个传感器节点传输能量并收集传感数据为场景,对多架无人机在三维空间中的信息采集过程进行模拟验证。通过SCA优化算法将建立的非凸问题转化为一个凸优化问题进行求解,最终得到无人机飞行过程中的最优采集点、最优飞行策略及能量输送时间与信息传输时间分配权衡指数,使系统性能达到最优,实验结果表明,所提方案求得的最优解可有效实现系统AoI最小化。     

安全能量效率优化的传感器网络传输研究

研究了射频无线充能传感器网络通信系统的安全传输及能量效率问题,针对传感器网络能量受限而无线通信容易被窃听的问题,利用物理层安全技术,提出了一种两阶段的安全传输协议。通过联合优化发送功率、射频能量协方差矩阵、敏感信息波束成型以及协作干扰协方差矩阵,使得传感器网络的安全能量效率达到最大。针对所提出的非凸问题,利用Dinkelbach方法将包含分式形式的目标函数简化,利用连续参数凸近似方法将非凸问题转化为可解形式,进而使用收敛迭代算法得到原问题的近似最优解。仿真结果表明,与对比方案相比,提出的传输方案可以在保证安全通信的基础上有效提高安全能量效率。     

射频供能传感网中能量源布置和发送功率优化

射频能量捕获无线传感网（RF energy harvesting wireless sensor network,简称RFEH-WSN）是无线传感网的热点研究领域之一,专用射频能量源设备（energy transmitter,简称ET）的使用进一步增强了网络的可控制性和实用性.这类应用中一个值得研究的问题就是如何配置给定数量的ET,从而在满足节点能量需求的前提下优化布置位置和发送功率,减少能量消耗.首先对ET布置和发送功率联合优化问题建模,明确优化目标和限制条件.然后分别提出了先基于聚类算法确定ET位置再调整功率的分步优化方案,以及基于粒子群优化（particle swarm optimization,简称PSO）的布置与发送功率联合优化方案.仿真结果显示,布置和发送功率联合优化方案较分步优化方案,ET发送功率的节能效果更为明显.     

基于智能反射面辅助与无线中继的无人机协作通信系统优化算法

针对采用智能反射面（RIS）辅助与解码转发中继的无人机协作通信系统,研究了RIS反射相位、无人机部署位置和无线中继传输时隙联合优化算法。首先根据协作系统传输协议,建立了以最大化系统端到端信息传输可达速率为目标的资源分配联合优化问题。该问题非凸,为此提出一个交替优化算法,将该非凸问题分解为分别对RIS反射相位、无人机部署位置和协作中继传输时隙进行优化的三个子问题。其中RIS反射相位优化子问题和无人机部署位置优化子问题仍非凸,为此,分别采用半定松弛方法和提出一种基于连续凸逼近的局部区域优化方法进行求解,通过三个子问题的交替和迭代优化得到原问题的次优解。仿真结果验证了提出的联合优化算法获得的系统端到端信息传输可达速率优于其他的基准方案,并发现无人机应部署靠近中继或RIS的上方,其结果与系统的信噪比、RIS的反射元件数量以及RIS和中继所处地理位置等因素有关。     

多天线RFID系统物理层安全优化方案的研究

近年来,射频识别(RFID)技术作为构建"物联网"的关键技术受到人们的关注,如何保证RFID系统的通信安全也成为一个重要的挑战。基于物理层层面,研究了一种多天线无源RFID通信系统的安全传输性能,采用人工干扰(AN)技术,提出两种不同的安全优化方案:基于"发送功率最小化"以及"合法接收端信干噪比最大化",并分别给出两类方案的特例"零空间方案",接着利用半正定松弛以及凸优化的数学方法对方案进行优化。仿真证明,采用AN的两类方案安全性能均优于无AN方案,并且达到节省功率以及提高合法用户接收信噪比的目的,对功率受限的RFID设备具有重要的意义。     

基于信息能量同传的异构小蜂窝网络能效优化

研究无线信息和能量协同传输(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)异构小蜂窝网络的能效优化问题。保证小蜂窝用户和宏用户通信质量、小蜂窝用户能量采集和小蜂窝基站传输功率等约束下,为实现小蜂窝系统下行能效的最大化,对小蜂窝基站发射功率和小蜂窝用户端功率分流系数进行联合优化。该问题属于非凸优化问题,通过变量替换对原问题作等价转换,然后采用基于拉格朗日乘子的次梯度算法求解。计算机仿真结果表明,该联合优化算法简单有效。     

能效最优准则下的无人机中继系统的功率分配算法

由于无人机（Unmanned aerial vehicle,UAV）机动性好且部署简单,基于无人机中继的传输技术受到了广泛关注。功率作为通信系统的重要资源,其分配问题直接影响各条链路的性能和整个通信系统的能量效率。本文以莱斯衰落信道为背景,提出了一种在系统能效准则下的无人机中继通信系统的功率分配算法。首先在双跳放大转发（Amplify-and-forward,AF）中继传输模型的基础上建立功率分配的优化模型,将功率分配问题转化为求解最大系统能效的优化问题。在最优功率分配的求解过程中,先固定发射信号功率,获得波束形成优化方案;然后通过大信噪比区间近似,将非凸优化问题转化为凸优化问题;最后利用KKT（Karush-Kuhn-Tucker）条件,计算得出功率分配方案的闭式解。仿真实验表明,本文算法相对于迭代算法降低了算法复杂度。     

一种基于混合NOMA的IRS-MEC系统能量效率优化方案

在移动边缘计算系统（MEC）中结合智能反射面（IRS）和资源分配策略以提高系统能量效率是当前国内外研究的热点。基于混合非正交多址（NOMA）传输模式,通过对用户的本地运算频率、传输功率、传输时间和智能反射面离散相移的联合优化,实现智能反射面辅助的移动边缘计算系统能量效率最大化。由于优化过程涉及难以求解的非凸分式规划问题,提出了Dinkelbach-SCA的两步迭代算法：首先利用Dinkelbach方法将初始问题转换成易于求解的形式,通过分离变量对智能反射面离散相移进行优化;其次为了解耦传输功率与时间之间的耦合关系,引入辅助变量,并结合逐次凸逼近（SCA）方法将非凸问题转换成凸问题,求出优化解。仿真结果表明采用的系统方案的能量效率优于其他对比方案,并发现系统的能量效率随用户2的最小计算数据量减少而提升。     

SWIPT网络中保障物理层安全的保密能量效率优化

针对下行多用户携能通信网络中具有非线性特征的能量收集过程,提出了一种使用连续凸逼近方法的能量收集方案.该方案考虑授权用户对信息的安全性要求,构造了具有最大化保密能量效率的优化问题,联合优化了多用户的保密速率与网络能耗.为求解该多变量耦合的非凸优化问题,采用泰勒级数转换非凸函数,在连续凸逼近和Dinkelbach理论框架内,设计了满足最大保密能量效率要求的资源分配算法,获得了授权用户所需的最小输入功率.仿真实验的结果验证了该算法在最优化系统保密能量效率上的有效性.为多输入多输出或无法获得完整信道状态信息等更真实无线携能通信网络中通信安全及能量效率的研究提供了依据.     

基于非线性能量收集的全双工认知中继网络的联合优化方法

针对信息传输过程的时间消耗和信道估计误差对网络能效的影响，提出了一种基于非线性能量收集的全双工认知中继网络的联合优化方法。所提方法是在中继采用非线性能量收集并考虑非完美信道状态信息（CSI）的情况下，首先通过将能效非凸优化问题转化为两个凸的子优化问题，从而求出次用户和中继的传输功率以及收集的能量；其次，在保证主用户干扰门限以及最优传输功率非负的情况下，求出传输的信道容量范围；最后，将传输功率代入表达式得到关于时间的目标函数，并利用海森矩阵证明该目标函数为凸函数，进而求出最优传输时间以及功率分割因子，最终得出能效最优解。实验结果表明，在相同条件下，所提联合优化方法的能效相较于仅优化传输功率的能效提升了约84.3%；同时验证了信道估计误差因子为0.01时，所提方法的网络能效降低了约1.9%。     

应急通信系统中协作中继选择与功率分配优化

为提高应急通信系统的信道容量和能量效率,提出一种协作中继选择与功率分配的联合优化算法。在动态的通信环境中,通过最佳期望选取参与数据传输的协作中继集,提高通信系统的信道容量。为使每个用户及整个网络的能量消耗降到最低,采用凸优化方法,合理分配源节点和多个中继节点之间合理的发射功率。理论分析与仿真实验证明,该算法能以较低的复杂度明显提高系统的信道容量和能量 效率。     

基于功率控制的大规模MIMO系统能效优化算法

能效优化是5 G通信领域的一个研究热点.首先针对单小区多用户上行大规模MIMO通信系统,在满足用户QoS需求和系统可容忍的信道有效噪声条件下,建立关于发射功率、导频序列长度、基站天线数的能效优化模型;其次,不同于传统利用迭代算法求解使系统能效最佳的基站天线数,提出了采用Lambert W函数分析得到最佳基站天线数的闭式表达式;最后根据分式规划理论,采用迭代优化算法联合优化系统导频序列长度、发射功率、基站天线数.仿真结果表明,该算法较现有算法能效提高了11.2％,说明该算法能有效提高系统性能.     

非完美CSI下的全双工中继网络的能效谱效均衡

为优化非完美信道状态信息下的解码转发全双工中继网络的能效和谱效,提出了一种基于该网络模型的能效谱效均衡策略。通过构建能量效率和频谱效率的折中优化函数,将一个非凸的多目标优化问题转换为一个凸的单目标优化问题,利用求导法和拉格朗日乘子法求解在不同折中因子下的最优中继发射功率。仿真结果表明,可以通过改变折中因子来优化系统的能效和谱效值,获得最优能效和谱效的性能折中。     

认知中继网络功率分配的优化算法

本文研究了认知中继网络的功率分配策略。在基于AF(amplify-and-forward)和DF(decode-and-forward)中继模式下,考虑认知用户传输功率受限以及主用户干扰容限等因素,建立了认知中继网络吞吐量的非凸函数和凸函数优化模型;并利用拉格朗日乘子得到最优解。仿真结果表明,所提算法在认知用户传输功率受限以及主用户干扰容限下优化了认知中继网络的吞吐量。