解码转发双向无线携能全双工中继系统的能效研究

为了优化双向单中继全双工系统的能效,在中继节点引入无线携能技术,提出了一个双向无线携能全双工中继系统。该系统中继节点以功率分割方式进行能量收集,将收集的能量用于解码转发,在保证用户的服务质量需求下,将能效优化问题转化为能量消耗最小的优化问题,依据传输时隙以及各时隙信道容量需求进一步划分为两个子优化问题;然后,以能效最大化为目标,根据各时隙的信道容量求出传输功率,利用解码转发特性求出传输时间和功率分割因子,得出能效最优解。仿真表明,所提出的双向无线携能全双工中继系统的能效是单向无线携能全双工系统的1.3倍、双向全双工放大转发中继系统的2倍和双向全双工解码转发中继系统的2.6倍。      

基于功率分割能量收集的全双工中继网络的能效优化

针对全双工放大转发中继网络的能效提高问题，提出了一种基于功率分割能量收集的全双工中继网络的能效优化方法。该全双工中继网络的中继节点采用功率分割方式进行非线性能量收集，在非完美信道下，将非凸的能效问题转化为最小能量消耗问题，进一步转化为优化发射功率和传输时间两个子问题。根据信道容量得到最优传输速率，通过vpasolve函数求出最优传输速率和功率分割因子，再利用香农公式求最优传输时间，最终得到能效的最优解。仿真表明，所提方法的能效比仅优化传输速率和传输时间的能效分别提升约13.07%、8.48%，比单向全双工放大转发的能效提升约28.59%。     

双向能量协作的中继系统功率分配算法

在无线中继系统中,考虑源节点和中继节点都是能量采集的,而源与中继之间可以进行能量协作,即可双向传递能量,针对瑞利衰落信道场景以最大化系统吞吐量为目标,联合优化源节点的发射功率、中继节点的发射功率以及传递的能量值,提出了双向能量传递的最优功率分配算法。本文根据场景模型建立了最优化问题,利用凸优化知识求得最优解的形式,假设能量传递无损耗情况下提出了理想功率分配方案;然后以此为基础,在满足能量因果性和数据因果性的条件下,对传递的能量和发送的功率进行优化。仿真结果表明,本文提出的双向能量传递的功率分配算法优于其它的功率分配算法,能有效的提高系统吞吐量。      

基于能效的解码转发中继OFDM链路自适应功率分配方案研究

在能效问题中,设备本身的电路功耗已成为不可忽略的一部分,故将中继引入无线网络之后势必会带来更严重的电路功耗.该文基于解码转发(DF)中继OFDM频率选择性链路,结合电路所耗功率,提出一种最优能效功率分配方法,求得DF中继链路能效上界,同时分析了速率和功率限制对能效的影响.仿真结果表明,该文所提基于能效的功率分配算法可求出最大化能效的最优功率解,并能在保证较高速率的同时获得最好的系统能效.     

能量收集系统中基于能量协同和协同干扰的保密传输方案

研究节点具备能量收集能力的中继窃听信道保密速率的优化问题,提出一种基于人工噪声协同干扰和节点间能量协同的物理层安全传输策略.各节点采用储能-发送模式工作,即先收集能量,再用于数据传输.中继节点采用放大转发方式,目的节点发送人工噪声进行协同干扰.由于中继节点所需功耗较高,目的节点将用于发送干扰之外的剩余能量转移给中继节点.给出以最大化保密速率为目标函数,优化能量吸收时间比例系数和干扰功率分配因子的两步优化算法.仿真结果表明人工噪声和能量协同的引入能有效提高系统的保密传输速率.     

储能-发送模式的单天线两跳中继系统保密速率的优化

该文研究节点具有能量收集能力的两跳中继系统的物理层安全传输方案。考虑窃听节点与源和中继节点间都有直接链路的情况。每个数据传输时隙分为能量收集和数据传输两个阶段,各节点用收集的能量发送信号。中继采用放大转发方式,目的节点发送人工噪声进行协作干扰,保护在两跳传输中传输的保密信息。以最大化保密速率为目标,采用迭代算法优化能量吸收和数据传输两阶段的时间分配比例系数和协作干扰功率分配因子。仿真结果表明优化算法准确,优化后的协作干扰方案能显著提高系统的保密传输速率。由于考虑了窃听节点在两跳传输中都能接收到信号的可能性,文中方案更贴近实际,并解决了一个复杂的优化问题。     

基于能量采集的译码转发中继系统功率分配算法

本文针对基于能量采集的译码转发（DF）中继蜂窝异构网络,提出了一种系统容量最大化的功率分配算法。中继和用户节点均采集由基站发送的射频信号的能量;利用采集到的能量,通过时分多址方式,用户节点经中继将信息发送给基站。在满足中继和用户节点采集能量的因果性限制及总功率受限条件下,构建了系统容量的优化模型。利用拉格朗日乘子法和KKT (Karush-Kuhn-Tucker)最优条件,为使系统容量最大化,对中继和用户功率进行分配;通过等效信道增益,将中继功率和用户功率联合优化问题简化为用户功率优化问题,然后通过次梯度算法获得功率最优解。仿真结果表明,与受限于中继和用户采集能量因果性的用户平均功率算法相比较,本文算法可以提高系统平均容量。      

中继辅助OFDM系统功率优化

主要讨论了DF型中继辅助OFDM通信系统中的功率优化方案,并针对最优的功率优化方案很难得到闭合解的问题,提出了一种迭代的功率优化算法。这种迭代算法将DF型中继辅助OFDM通信系统中,单个子载波上源节点与中继节点间的功率分配问题以及各个子载波之间的功率优化问题分开,首先计算给定某个子载波上发送总功率下源节点与中继节点间的功率分配,然后在此基础上进一步优化子载波间的功率分配,并迭代逼近最优解。实验证明,在给定传输总功率的情况下,与传统的等功率分配相比这种迭代的优化方案可以获得较高的系统性能优势。     

基于部分中继选择的能量收集双跳网络信息年龄优化

针对传统中继协作网络传感器节点能量受限导致信息传输延迟较高的问题,将短包通信（SPC）和能量收集技术相结合,构建了一种双跳中继无线传感器网络模型。网络中源节点和中继均需从专用能量基站收集射频信号能量以保证信息的持续传输,中继采用半双工解码转发协议将源节点发送的状态更新信息以短包形式传递到目的节点,利用中继选择策略与最大比合并技术提出了基于时效性的最早部分中继选择方案。考虑该网络信息的新鲜度,首先,分析了SPC传输性能,推导了中继和目的节点处的平均包错误率。其次,利用顺序统计量描述了源节点到中继端数据包的重传次数,基于更新过程理论推导了网络的平均信息年龄（AoI）表达式,并采用梯度下降方法优化了影响网络平均AoI的部分参数。最后,仿真分析结果表明,优化中继数量和数据包长度可以有效提高网络信息新鲜度,同时,通过对比优化部分参数得到的最优值与贪婪方法得到的最小化平均AoI理论值,可以验证部分中继协作方案在双跳状态更新网络中的可行性。      

基于速率约束的OFDM中继链路能效最优资源分配策略

该文研究解码转发(DF)模式的OFDM中继链路的能效最大化资源分配问题。与现有典型的固定速率最小化发射功率或无约束最大化能效算法不同,该文考虑电路功率消耗的前提下,将问题建模为以最大化系统能效为目标,同时考虑用户最小速率需求、源节点S和中继节点R各自总发射功率约束下的联合子载波配对和最优功率分配问题。证明了速率和功率联合约束条件下中继链路全局能效最优解的唯一性,在此基础上提出一种低复杂度联合最优资源分配策略。仿真结果表明,该文所提方案能够在最小速率和S/R节点最大发射功率约束下自适应分配功率资源,实现系统能效最优,并能够降低链路的中断概率。     

Energy harvest and information transmission design in internet-of-things wireless communication systems

Wireless energy transmission is considered in the Internet-of-Things (IoT) dual-hop communication systems. The power splitting method is employed at the relay node to receive the wireless energy and the wireless information simultaneously from the source to the relay node in the first resource block. With the harvested energy at the relay node, one wireless information node and one wireless energy harvest node are served simultaneously by the relay node in the second resource block. The optimization problem is formulated to maximize the energy efficiency defined as the ratio of the wireless information throughput of the first destination node over the power consumed by the whole IoT systems, which is subject to the required minimum energy harvested at the second destination node of the energy transfer. To tackle the non-convex problem, the exact expression of the wireless information throughput is approximated by the high signal to noise ratio (SNR) approximation method, which is shown very tight to the exact expression. Hence, the asymptotically optimal solution is derived in analytical expression by employing the Lagrangian method. Numerical simulations verify the performance of the proposed scheme.     

Simultaneous wireless information and power transfer for relay assisted energy harvesting network

The simultaneous wireless information and power transfer in an energy harvesting system is investigated, where a relay is self-sustained by harvesting radio-frequency (RF) energy from the transmitter and multiple user devices are distributed according to a homogeneous Poisson point process. A joint time switching and power splitting protocol for relay-assisted transmission is proposed, in which each time slot is split into two stages. In the first stage, the relay utilizes a portion of received RF signal power for energy harvesting and the remaining power for information processing. In the second stage, information is delivered from the relay to its closest destination node with the harvested energy. The outage probability, network throughput and energy efficiency are derived and analyzed in closed form. On this basis, the optimal power splitting and time switching ratio which maximizes network throughput is obtained. Simulation results are also provided to validate our theoretical analysis.     

WSN中一种基于能量效率的协同中继传输方案

本文针对分簇无线传感器网络,提出了一种基于能量效率的协同中继传输方案,该方案中源簇头根据源到邻簇头之间的信道状态信息选择最优中继节点;协同传输数据时,目的节点接收到两个时隙的信号后进行最大比合并,并根据设定的接收信噪比门限范围在确认帧中给中继节点反馈功率调整信息,以减少重传次数或降低中继节点的发射功率,在不增加开销的情况下可以减少系统总的能量消耗。文章利用概率密度函数推导了基于部分信道状态信息选择中继协同的误符号率闭式表达式,最后通过蒙特卡洛仿真进行了验证。结果表明:误符号率的理论推导值与仿真值一致,在相同的接收信噪比门限时,本文所提方案能够明显提高系统的能效性。      

直达链路下的全双工能量采集中继系统的吞吐量分析

针对三节点传输系统,研究了基于时间切换能量采集的全双工放大转发协作中继方案。考虑源和目的地之间存在直达链路,全双工中继节点采用天线选择技术以最小化中继自干扰,目的节点采用最大比合并技术以最大化目的地接收信噪比。在延迟受限传输模式下,推出了自干扰信道增益为常数时系统吞吐量近似闭合表达式。运用最佳目的地选择策略和自适应中继选择策略讨论了系统吞吐量性能。如图4所示,在源发送功率为30 dB时,就系统吞吐量而言,本文算法比其他两种算法分别提高了0.22 bits/s/Hz和0.68 bits/s/Hz。数值分析和蒙特卡洛仿真表明,增加中继个数,增加目的地个数或者增大能量采集效率均能够提升系统吞吐量性能。      

Optimal simultaneous wireless information and energy transfer in OFDMA decode-and-forward relay networks

In this paper, we consider simultaneous wireless information and energy transfer in an orthogonal-frequency-division-multiple-access decode-and-forward relay network, in which an energy-constrained relay node harvests energy from a source node and uses the harvested energy to forward information to multiple destination nodes. Our objective is to maximize the end-to-end sum rate by resource allocation, subject to transmit power constraint at the source and energy-harvesting (EH) constraint at the relay. A non-convex and mixed-integer programming (MIP) problem is formulated to optimize time-switching (TS) ratios of EH and information decoding at the relay, TS ratio of information transmission from relay to destinations, subcarrier allocation as well as power allocation (PA) over all subcarriers at source and relay. We propose to decouple this problem into a convex problem and an MIP problem in fractional form. To solve the MIP problem, we transform it into an equivalent optimization problem in subtractive form which has a tractable solution. As a result, we propose a novel scheme to achieve jointly optimal TS ratios, subcarrier allocation and PA. Simulation results verify the optimality of our proposed resource allocation scheme.     

能量收集多跳D2D无线传感网络中的中继选择算法

针对无线功率传输技术的能量收集效率有限造成信噪比下降进而引发通信中断率增加的问题,在能量收集多跳D2D(Device to Device)无线传感网络中,提出一种基于改进K-means聚类的中继选择方法。首先,推导得到能量收集下的信噪比因子,使其作为K-means聚类特征。然后,利用最小欧氏距离原则得到距离聚类中心最近的实际节点的位置。最后,根据距离重排序得到中继节点,形成从源节点到目的节点的通信链路。仿真实验结果表明,相比最短路径算法和随机中继协作方案,所提出的改进算法链路信噪比更大,能够减小通信中断率,具有更好的中继性能。     

直达链路下的能量采集中继选择系统的吞吐量分析

针对三节点传输系统，研究了基于功率分配能量采集的全双工放大转发协作中继方案。考虑源和目的地之间存在直达链路，全双工中继节点采用天线选择技术以最小化中继自干扰，目的节点采用最大比合并技术以最大化目的地接收信噪比。在延迟受限传输模式下，运用高斯-切比雪夫积分推出了系统吞吐量的近似闭合表达式。在延迟容忍传输模式下，运用凸优化推出了系统吞吐量下界的闭合表达式。在多中继情况下考虑了最佳中继选择策略和机会式中继选择策略。数值分析和蒙特卡洛仿真表明，增加中继个数或者减小速率阈值均能提高系统吞吐量。      

物理层安全中的最优中继选择及协同干扰策略

本文提出了一种以协同干扰为基础,结合了最优中继选择和功率分配的物理层安全方案.该方案针对分布式天线的场景,从中间节点中选择一个最佳的节点作为中继,剩余的其他节点作为协同干扰节点.中继节点使用放大转发策略.本文同时提出了协同干扰节点的波束成形算法.另外,我们还推导出了中继节点和协同干扰节点之间的功率分配的闭式解.最后,本文还给出了相关的仿真结果,证实了新提出的方案比传统方案能获得更高的安全容量.