基于超声波的无线携能通信研究

无线携能通信是将无线能量传输与无线信息传输相结合的产物。近年来,以无线电波作为媒介的携能通信研究十分火热,而以超声波作为媒介的方式却没有得到足够关注。从超声波的传能机制出发,提出超声波换能器的设计要求;从超声波的通信机制出发,研究超声波通信的调制方式及信道特性;从功率分配角度出发,建立了速率-能量折衷模型,提出了适用于不同应用场景的动态功率分配算法,建立了基于超声波的无线携能通信系统模型。     

面向无线传感器网络的无线携能通信研究

能量受限是无线传感器网络应用的瓶颈问题,为了使无线传感器网络获得稳定持续的能量来源,提出将无线携能通信（ SWIPT）技术应用到无线传感器网络中。基于时分多址（ TDMA）的通信方式建立了适应于无线传感器网络的无线携能通信系统新优化模型。通过凸优化问题的求解得到该优化模型的最优分配策略。利用仿真实验对无线携能通信在无线传感器网络中应用的可行性进行了分析,对方法的有效性进行了验证。     

基于无线携能通信的传感云系统Sink节点最优能效策略

无线携能通信能够提升传感器网络的能量效率和资源复用率,然而当前研究均优化无线携能通信参数以实现系统增益,忽略了信道质量变化对系统能量效率的影响.为了解决该问题,针对无线携能通信的传感云系统,提出基于最优停止理论的Sink节点能效优化策略.首先设计下行无线携能通信、上行信息传输的工作时序,其中下行阶段Sink节点采用机会...     

无线携能通信系统中的吞吐量最优化全双工中继选择策略

针对无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)系统中全双工中继网络的最优中继选择问题,以最优化系统吞吐量为目标,提出一种基于功率分配协作的SWIPT全双工中继选择策略.该策略基于自能量回收技术实现了对全双工系统自干扰的消除,以此提...     

基于缓存辅助的全双工无线携能通信系统的中继选择策略

为了提高无线携能通信(SWIPT)系统的性能,构建了一个全新的基于缓存辅助的全双工中继协作系统模型,并在系统中考虑了空闲能量接入点(EAP)作为中继节点的额外能量补充.对于系统吞吐量最优化问题,提出一种基于功率分配协作的SWIPT中继选择策略.首先,基于通信服务质量与源节点发射功率等约束建立问题模型;其次,通过数学变换...     

干扰影响下无线携能通信双向中继系统中断性能分析

在无线携能通信双向中继系统中,大量无线信息发射源会导致系统性能受到同频干扰的影响。以基于射频能量收集的双向中继网络为研究对象,结合功率分离能量收集和解码转发信息转发方式,建立中继和接收端分别受到多个干扰源影响下的无线携能通信双向中继通信系统传输模型,在3个时隙信息能量同传的传输帧结构下,得到系统端到端信干噪比,并分析该传输模型下的中断性能。利用数学推导得出该系统在瑞利信道环境下的端到端信干噪比的累积分布函数闭式解,在此基础上求解中断概率闭式值,并通过数值仿真探讨干扰源个数、干扰功率以及功率分割比对系统中断概率的影响。仿真结果表明,所求中断概率闭式表达式与蒙特卡洛仿真中断概率曲线完全吻合,双向中继传输能有效降低系统中断概率,其中干扰源个数越多、干扰功率越大对系统的中断性能影响越大,但不影响系统的分集度,并且存在一个最优功率分割比值可使系统的中断性能达到最优,从而提升整个系统的传输性能。     

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。     

基于协作通信技术的无线再生中继网络中的功率最优分配

针对无线再生中继网络的系统性能与系统误帧率、中断概率等有关问题,以协作通信技术中的多用户协作分集协议MDP(Multi-user Diversity-cooperative Protocol)为基础,设计了新型的MDPTS(Multi-user Diversity-cooperative Protocol Transmission Scheme)传输方案,优化了信号传输过程,提升了信号传输效率与网络吞吐量。在此基础上以系统误帧率最小为目标,提出了在发射端和中继器间的功率分配方案,以误帧率下届为目标函数,通过拉格朗日法求得系统的功率分配最优解。仿真结果表明,与采用传统传输方案的网络相比,采用MDPTS传输方案的网络具有更高的分集增益和复用增益,因此系统性能也更好。     

全双工无线携能通信速率最大化波束赋形研究

针对全双工无线携能通信系统,提出了一种基于系统和速率最大化准则的波束赋形联合优化方案。该方案以系统和速率最大化为目标,在保证上行/下行链路的最大发射功率约束及最小能量收获需求的同时,实现了信息速率和频谱效率的同步改善。由于速率问题为非凸问题,首先采用半定松弛及一阶泰勒近似方法将其转换为凸优化问题,然后结合基于逐次凸近似的迭代算法分别求解最优的信息波束赋形矢量和能量波束赋形矢量。仿真结果表明,所提方案相比传统方案性能更优,实现了系统和速率的有效提高。     

基于协作通信技术的无线非再生中继组播网络中的功率最优分配

针对无线非再生中继网络中多播协作通信系统的节点功率最优分配问题,提出了一种新的基于多用户协作分集协议(multi-user diversity-cooperative protocol)的MDPTS(multi-user diversity-cooperative protocol transmission scheme)传输方案.在总功率一定时,利用分集复用增益的权衡对系统的性能进行了分析.在此基础上以系统误帧率最小为目标,提出了发射端和中继器间的功率优化分配方案,在信噪比足够大的条件下,以误帧率下界为目标函数,通过拉格朗日法求得系统的功率分配最优解.仿真结果表明,与采用传统传输方案的网络相比,采用MDPTS传输方案的网络具有更高的分集增益和复用增益上限,因此系统性能也更好.     

最小化具有无线携能通信的全双工中继系统发射功率和

考虑在无线网络中采用信息与能量同步传输来提高无线中继系统的性能,提出了基于无线射频网络中采用无线携能通信（SWIPT）技术的具有自能量回收的双向传输全双工中继系统。SWIPT应用在双向全双工中继系统中是一个新的尝试,其中能量受限的目的节点使用从中继和环路信道捕获的能量来发送反馈信息,并给出了全双工中继系统工作的逻辑结构和能量受限的目的节点的物理结构。然后,以最小化系统发射功率和作为优化目标来描述系统的性能,采用功率分配方案进行信息解码和能量捕获,应用半定规划、秩松弛和拉格朗日方法将原始非凸优化方程转化为可解凸优化问题并求解,且联合优化了中继发射功率、发射波束成形向量和功率分配比率。最后,实验仿真对比了所提的新系统与传统双向传输中继系统,结果验证了利用自能量回收不仅可以消除自干扰,而且可以显著优化系统发射功率和,且由于SWIPT技术与全双工中继系统的结合,使得所提出的系统比传统的双向传输系统具有更高的性能增益。     

基于磁耦合的水下无线携能通信系统

磁耦合无线充电技术不仅能够为水下设备不间断地提供能量,同时在其传输能量上加载特定的信号也可以为水下设备构建高速、稳定的数据传输链路,成为摆脱水下设备供电以及通信瓶颈的有效手段.该文提出一种基于磁耦合的水下无线携能传输技术,采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)开发了基于频移键控(FSK)调制的无线信息传输和无线能量传输模...     

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.     

双向携能通信网络中子载波和功率联合分配

在正交频分复用技术和双向通信下,研究了携能通信网络中的资源分配问题。提出了一种面向子载波和传输功率的联合分配算法,该算法不依赖于现有的功率分割或时隙切换机制,可以在不同的子载波上分别传输信息和能量,简化了携能机制设计;此外,考虑到实际能量收集电路的饱和特性,该算法基于非线性能量采集模型,采用拉格朗日对偶和次梯度方法,研究了在满足用户传输速率阈值的前提下使系统的总能耗最小化的问题,降低网络能量开销。数值仿真实验证实了此联合分配算法的有效性和能量高效性。     

基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化算法

随着无线通信技术的快速发展,无线接入设备日益增多,但系统能耗也在不断增长。具备无线携能通信能力的正交频分复用（Orthogonal frequency division multiplexing, OFDM）系统可以有效提高系统能量效率。本文针对以系统能效为优化目标的资源分配问题,提出了基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化算法。该算法采用椭球法对拉格朗日乘子进行更新,可以有效加快算法收敛速度,提升算法性能。仿真实验结果表明,所提出基于椭球法的能效优化算法能有效解决以系统能效为优化目标的资源分配问题,与次梯度法相比,椭球法的收敛速度更快,能够显著地降低算法复杂度。     

无线传感器网络自适应多中继协作差错控制策略

提出一种基于能效和通信距离的适用于无线传感器网络的多中继自适应协作差错控制策略,在提供高可靠性数据传输同时保持高吞吐率和高能效.根据传统ARQ、Chase合并的混合ARQ的能效规律和数据包在链路层分割为若干个数据帧的规律建立了一种马尔科夫链模型,并给出了饱和吞吐率、数据包丢弃概率、时延和能效分析方法,在此基础上提出了自适应多中继协作差错控制策略.针对线性移动无线传感器网络模型,对传统ARQ、Chase合并的混合ARQ和自适应多中继协作差错控制的通信性能以及移动性的影响进行了分析.结果表明所提策略在饱和吞吐率、可靠性和能效方面,表现出了比传统ARQ和Chase合并的混合ARQ更优越的性能.     

无线传感器网络协作通信技术综述

无线传感器网络的发展中存在生存周期和资源共享两大瓶颈,其重要原因之一在于缺乏射频信号级协作,通信能耗难以降低,通信资源难以虚拟化.协作通信技术通过节点间射频信号级的协作处理,使仅具单根天线的节点彼此共享天线,从而得到类似于“多入多出”系统的空间分集增益,显著地提升了通信的能量效率,它将是未来传感器网络的重要技术.综述了传感器网络中的协作通信技术,内容包括：在局部构造协作通信节点组以形成虚拟通信链路,利用协作通信组以直传或中继方式实现端到端的数据传输,协作通信与传感器网络的系统优化和资源虚拟化手段等.总结了传感器网络协作通信研究中的主要趋势、技术进展与关键问题.     

D2D通信网络中基于深度强化学习的能效优化

为了解决移动通信网络中频谱资源短缺、链路间干扰严重以及能耗较高等问题,针对设备到设备（Device to Device,D2D）网络提出一种分布式框架的深度强化学习算法,采用双Q和竞争结构解决状态空间过大和Q值高估的问题,通过引入无线携能技术有效地补偿了系统能耗,在蜂窝用户最低和速率要求以及D2D用户功率分流比等非线性约束条件下,基于变化的位置和信道状态信息,同步分配资源块、D2D用户发射功率和功率分流比,实现能效最优化。仿真结果表明,在保证蜂窝用户和速率的前提下,所提方案在D2D总能效方面优于基线算法,在具有大规模移动用户的通信网络中鲁棒性更强。     

双IRS辅助的NOMA无线携能通信网络优化

无线携能传输（simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT）能够有效解决通信终端的能源受限问题,而智能反射面（intelligent reflecting surface,IRS）能够辅助增强SWIPT的效率。为了克服单个IRS覆盖范围有限的缺点,以及进一步提高SWIPT的时间和频谱资源利用率,考虑了一个双IRS辅助基于非正交多址接入技术（non-orthogonal multiple access,NOMA）的无线携能通信系统,其中发送端的波束成形矢量、每个IRS的相移以及接收端的功率分割系数将进行联合优化以最大化系统的最小用户速率。为解决上述有着高度耦合优化变量的非凸优化问题,提出一个基于半正定松弛技术（semidefinite relaxation,SDR）和连续凸逼近技术（successive convex approximation,SCA）的交替优化（alternative optimization,AO）算法来高效求解该问题。仿真结果表明,双IRS辅助的系统比传统的单IRS辅助的系统能够实现更高的最小速率,揭示了部署双IRS的优异性、所提算法的有效性以及联合优化IRS相移及功率分割系数在提升用户速率性能方面的重要性。     

无线供能协作计算网络中的时延最小化资源分配方案

在单专用能量站为多个用户无线供能的场景下,为缩短任务处理时延,设计了一种新型多用户协作计算方案。建立了关于匹配决策和资源分配的优化问题,在用户间一对一匹配情况下提出了一种基于交替优化和匈牙利算法的高性能求解方案和一种基于重构线性化方法的低复杂度求解方案;针对一对多匹配情况提出了一种改进的贪婪算法。实验结果表明,在用户间一对一匹配时所提方案能够较对比方案降低最多12.6%的任务处理时延;一对多匹配情况下所提方案节省了5%的任务处理时延,即所提方案能有效保障用户端的时延需求。