智能反射面辅助的无线携能通信系统优化问题研究

本文针对智能反射面辅助的无线携能通信系统，提出了一种面向能量效率的信号传输方案，该方案在基站处发射信息与能量的混合信号，通过联合优化基站的信息信号波束、能量信号波束和智能反射面处的相移来实现系统能量效率的提升。由于优化问题非凸且三个优化变量相互耦合，难以直接获取最优解。因此本文采用交替优化将原问题转换为两个非凸子问题进行交替迭代求解，并借助Dinclebach与半正定松弛等方法将非凸子问题转化为凸问题解决，最终获得原问题的次优解。数值仿真结果表明，本文所提方案在能量效率方面优于现有方案。     

无线供能智能反射面辅助移动边缘计算系统设计与优化

研究了一种智能反射面（IRS）辅助移动边缘计算系统的新设计方案，该系统由一个配备边缘计算服务器的混合接入点（HAP）、一个配备射频能量收集电路的IRS和一个具有随机任务到达的用户端组成。为节省用户端能耗，首先提出了一种新颖的协议，使系统可以根据信道状态信息、IRS电池的能量状态与用户任务队列状态，自适应地在能量收集模式、IRS辅助任务卸载模式和IRS待机任务卸载模式中选择一种合适的工作模式。然后，基于该协议，建立了系统的优化问题，在给定IRS电池的能量状态与用户任务队列的稳定性约束条件下，通过优化系统工作模式和每种模式下的资源分配，最小化用户端的任务卸载与计算能耗。通过利用李雅普诺夫（Lyapunov）优化方法，对该问题进行了求解，从而得到了一种高效的低复杂度优化算法。仿真结果表明，所提方案比已有的基准方案可节省50%～90%的能耗。     

基于智能反射面的无线抗干扰通信方法

由于无线信道的开放性,当前无线通信系统愈发受到恶意干扰攻击. 为了提高无线通信干扰能力,提出了一种基于智能反射面（intelligent reflecting surface, IRS）的抗干扰通信方法. 针对IRS辅助的通信抗干扰系统,考虑在用户接收信干噪比约束和连续相移约束下,建立非线性、多变量耦合的功率最小化资源分配模型,以实现频谱和能量性能的双向提升. 利用交替优化和半正定松弛求解原变量耦合的非凸优化问题,以得到最优发射波束和IRS相移. 此外,针对模型求解复杂度高的问题,还提出了一种低复杂度算法以得到发射波束的低复杂度闭式解. 同时,进一步提出了一种实用且快速响应的经验算法,以应对时变高动态干扰. 仿真结果表明,与现有未引入IRS方案相比,所提算法在各种情况下收敛迅速,并且功率消耗和干扰容限都有约30 dB的性能提升.     

双智能反射平面辅助无线携能通信系统的安全通信优化

研究采用两个智能反射平面保障无线携能通信系统信息传输的物理层安全。通过联合优化两个智能反射平面的反射波束成形和基站的发射波束成形以最大化系统的总信息传输速率,同时满足基站的发射功率约束、能量收集用户的最小能量收集约束与最大窃听速率约束,以及智能反射平面反射系数的模一约束。由于存在两个智能反射平面之间的反射链路,所构建优化问题的优化变量高度耦合,难以直接求解。提出一种基于交替优化、半正定松弛和连续凸逼近的算法求问题的次优解。仿真结果表明,与现有的基准方案相比,所提算法能在保证信息传输安全和满足能量传输要求的情况下大幅提高系统的总数据速率。     

智能反射面辅助的无线供能空中计算系统研究

文章研究了智能反射面辅助的无线供能空中计算系统.其中,接入点通常在IRS的辅助下,经下行链路为多个传感器进行无线能量传输,然后经上行链路进行空中计算.首先刻画了满足传感器能量收集约束条件下的系统计算速率的最大化问题,通过对传输时隙长度、接入点的发送波束赋形矩阵和接收波束向量,以及IRS在上下行链路中的波束赋形矩阵进行联...     

智能反射表面辅助的无线携能通信网络资源分配算法

为了解决终端设备能量受限、网络覆盖范围有限等问题,实现绿色万物高效互联,引入了一种新的智能反射表面技术,构建智能反射表面辅助的无线携能通信网络.为了进一步提升该网络的总吞吐量,提出了一种以速率和最大化为目标的资源分配方案.考虑基站的发射功率限制、所有物联网设备最低能量需求限制和智能反射表面的相移约束,建立联合发射波束设...     

智能反射面辅助车联网无线传输建模研究

智能反射面(Intelligent Reflection Surface, IRS)作为一种由大量低成本的被动无源反射元件组成的平面，通过置于发送端与接收端之间对入射信号进行相位(或/和)幅度实现调控，能够有效提升无线通信系统性能，因此近年来被认为是新一代无线通信领域中的关键技术。基于此，提出了一种非平稳几何信道模型描述IRS多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)移动通信模型。通过调整模型参数，所提出的信道模型能够有效地描述各种参数配置下的IRS辅助无线通信场景，为系统性能分析、系统开发、性能评估提供理论基础。此外，为了能够有效地分析IRS几何信道模型的统计特性，首次提出将移动发射端(Mobile Transmitter, MT)与移动接收端(Mobile Receiver, MR)间的信道分为三个子信道：MT与IRS间的子信道、IRS与MR间的子信道、MT与MR间的子信道。通过分别求解各子信道的复冲激响应函数式，级联一种等效的信道模型分析IRS MIMO信道的重要统计特性，比如时变空间互相关函数(Cross-Correlation F...     

IRS和人工噪声辅助的MIMO-SWIPT系统安全传输方案设计

针对多天线无线携能通信系统中能量收集节点作为潜在窃听者的信息安全问题,提出了一种智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)和人工噪声辅助的物理层安全传输方案。首先考虑发射功率、能量收集门限以及IRS单位模约束,以最大化系统安全速率为优化目标,在合法用户直射链路不可用的情况下,联合设计发射端波束赋形矩阵、人工噪声协方差矩阵以及IRS相移矩阵,建模一非线性多变量耦合的非凸优化问题;接着利用均方误差准则等价转换非凸目标函数,并利用连续凸逼近方法(Successive Convex Approximation, SCA)处理非凸的能量收集约束;最后基于交替优化框架,分别用拉格朗日对偶方法和基于价格机制的优化最小化(Majorization-Minimization, MM)算法求解发射端变量和IRS端变量。仿真结果表明,与现有方案相比,所提算法能够在保障能量收集需求的同时大幅度提升系统的安全性能。     

智能反射面辅助的无人机无线携能通信网络吞吐量最大化算法研究

为了解决城市场景中无人机(UAV)与地面终端设备(GUs)间易受到障碍物阻挡的问题,该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的UAV供能通信网络吞吐量最大化算法。首先,在满足能量因果、IRS相移、UAV移动性等约束条件下,建立了一个联合IRS相移设计、GU无线资源分配、UAV飞行轨迹设计的多变量耦合优化模型。其次,通过快坐标下降法(BCD)将原非凸问题转换为3个易于处理的子问题,并通过三角不等式、引入松弛变量、连续凸近似(SCA)等方法,对子问题进行转化求解。仿真结果表明,该文所提算法具有较好的收敛性,同时可有效提高系统总吞吐量。     

一种近场无线激光携能通信系统的研究与设计

介绍了一种综合利用无线激光通信技术、无线激光传能技术设计的无线激光携能通信系统,给出了系统结构和原理,结合光电信号转换、光电能量转换电路,设计了通信、传能一体化的硬件电路和光路结构,能实现近距离无连接、非接触的双向通信、传能,为无连接、无供电条件设备接入提供了分离脱落连接器(又称脱插连接器)之外的解决方案,最后指出系统继续研究发展面临的问题和挑战。     

无线携能网络中一种非线性能量收集与信息传输均衡策略

在无线携能(SWIPT)网络中,节点通常采用非线性能量收集。论文首先建立了非线性能量收集模型,提出了时隙切换与静态功率分割相结合的智能协同SWIPT传输方案(CoTP),推导了该传输方案的速率-能量(R-E)域,研究了接收端存在电路功耗情况下CoTP方案的速率-能量(R-E)均衡策略。同时,论文将所提的CoTP策略与动态功率分割(DPS)、开-关功率分割(OPS)、静态功率分割(SPS)与时隙切换策略(TS)的R-E域性能进行了比较,仿真分析了噪声以及接收端电路功耗对R-E域性能的影响。数值结果表明,与其他方案相比,若不考虑电路功耗情况,所提CoTP策略在每比特收集能量为0.6 mJ~2。4 mJ时具有较高的可达速率。若考虑电路功耗情况,所提CoTP策略在每比特收集能量为0 mJ~15 mJ时具有较高的可达速率,可以实现能量收集与信息传输的均衡。      

智能反射面辅助的毫米波MIMO系统波束成形设计

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS),也被称为可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)或大型智能表面(Large Intelligent Surface, LIS),通过重新配置无线通信传输环境,可以有效提高通信质量。考虑IRS辅助的毫米波多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)下行系统,通过采用流形优化(Manifold Optimization, MO)技术处理,协同优化IRS的无源波束成形、功率分配、预编码矩阵以及合并矩阵,以最大化多用户和速率。由于利用流形优化算法设计的最佳目标函数是非凸的,因此利用毫米波级联信道的内在结构,将非凸问题转换为更加容易处理的问题。仿真结果表明,所采用的MO方案能获得比最小均方误差(Minimum Mean Square Error, MMSE)方案以及随机相位方案更好的和速率性能。     

智能反射表面辅助无线能量传输的保密率最大化算法

为了减少窃听者对合法接收者的信息接收影响和窃听者的有用信息接收量,该文研究利用智能反射表面(IRS)来实现无线供电通信网络(WPCN) 中窃听端处的波束抵消。首先在传输能量的同时进行窃听检测,IRS根据合法用户的能量状态选择是否采取防窃听模式,然后在存在窃听的情况下,研究了窃听信道完美和不完美状态下系统的保密率最大化问题。分析表明,这一最大化问题是相移、功率分配、时间分配的多变量耦合非凸问题,可以采用分步优化、变量替换和S-Lemma等方法进行求解。仿真结果表明,与基准算法相比,所提算法提升了保密率,当智能反射表面元件数为80时保密率提升了44%,发射功率为40 dBm时保密率提升了34%。     

双智能反射面辅助的感知通信一体化波束赋形与相移优化

部署智能反射面可有效解决基站与部分通信用户或潜在目标之间直接链路很弱的问题,但由于单个智能反射面的覆盖范围有限,因此研究了双智能反射面辅助的感知通信一体化系统。为了减小信道训练开销,使用了统计信道信息。建立了通过联合优化基站的发射波束赋形与智能反射面的相移,在保证通信用户遍历容量的最低要求下最大化波束图增益的问题。将该问题转化为3个子问题来解耦发射波束赋形与两个智能反射面的相移,进而提出用基于半定松弛的交替优化算法来求解问题。相较于单智能反射面场景,部署双智能反射面得到了超过两倍的波束图增益。     

超大规模智能反射面辅助的近场移动通信研究

超大规模智能反射面(Extremely Large-scale Intelligent Reflecting Surface, XL-IRS)是未来6G通信系统的一个关键备选技术,其可以通过调节信号的反射来实现无线传播环境的智能可重构,从而大幅提升未来通信系统的性能。不同于现有研究工作主要关注于远场通信的小规模IRS,考虑建模更加准确的XL-IRS辅助近场通信场景。指出XL-IRS辅助通信系统中考虑近场信道模型的重要性,介绍XL-IRS系统中的近场信道建模,指出近场信道模型下的通信性能极限。从基站波束对准、XL-IRS波束训练以及波束跟踪三方面详细阐述XL-IRS辅助通信的波束管理设计方法,针对XL-IRS辅助的通信感知一体化(Integrated Sensing and Communicatioin, ISAC)的场景,详尽讨论其在近场通信的关键设计难题以及有前景的解决办法。     

智能反射面辅助的毫米波大规模MIMO技术综述

毫米波大规模MIMO能够在用户吞吐量和频谱效率等方面发挥巨大的优势,但高能耗和高硬件成本的问题阻碍了系统的实用化进程。智能反射面作为一种低能耗、易部署、可编程的新兴技术,可以有效改善上述问题。IRS与毫米波大规模MIMO的结合在满足6G的绿色通信理念的同时,又有助于实现高速率通信和低功耗通信的愿望。因此结合国内外的最新发展趋势,讨论了毫米波大规模MIMO以及IRS辅助的毫米波大规模MIMO的发展历程、关键技术的特点,并进一步讨论了未来的研究热点以及有待解决的问题。     

非正交多址接入无线能量采集协作系统

近年,非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)技术作为一种应用于5G无线网络的多址接入技术,引起了人们的广泛关注。为了提高NOMA技术的频谱效率、覆盖范围和抗噪性能,并降低系统的能耗,设计了一种基于正交索引调制多址接入(quadrature index modulation multiple access,QIMMA)技术的无线携能(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)协作网络上行NOMA传输系统,记为协作QIMMA-SWIPT。具体来说,多个远端用户组成一个QIMMA系统,然后通过协作中继的译码转发拓展系统的覆盖范围,并在中继端采用SWIPT技术以便信息在译码的同时进行能量的采集,降低系统的能耗。详细推导了QIMMA-SWIPT系统平均误码率的理论上界,并在频谱效率一定的情况下通过模拟仿真对比分析,得出协作QIMMA-SWIPT系统的误码率性能优于协作IMMA-SWIPT和SCMA-SWIPT系统的结论。此外,深入研究了功率切割因子和信源到中继的距离对系统误码性能的影响。     

激光无线能量传输接收系统二次聚光研究

为了克服激光无线能量传输接收系统中聚焦光斑能量分布不均匀、光斑形状不匹配的缺陷,设计并加工了一种梯形二次聚光器。依据边缘光线理论分析了梯形二次激光器的设计原理,利用Tracepro软件进行了仿真,采用直角梯形拼接的方法加工成梯形二次聚光器。在激光无线传能系统中对梯形二次聚光器进行了实验研究,对比了菲涅耳透镜单次聚光和与梯形二次聚光器组合聚光时对激光电池效率的影响。实验得出,在激光电池接收功率一致的情况下,菲涅耳透镜与梯形二次聚光器组合产生的聚焦光斑能使激光电池的转换效率值提高6%~7%;在计入二次聚光器损耗后,激光电池的转换效率值提高2%~3%。结果表明:梯形二次聚光器的使用可以提升激光无线传能系统接收端的性能。     

智能反射面辅助及人工噪声增强的无线隐蔽通信

该文考虑一种智能反射面(IRS)辅助及人工噪声(AN)增强的无线隐蔽通信以提升隐蔽传输性能。首先,分析了Willie的探测性能并给出了总的最小探测错误概率下界表达式。 在此基础之上,构建以最大化有效吞吐量为目标函数,以隐蔽需求和最大AN发射功率为约束的优化问题。该优化问题为非凸的,通常很难直接求解。该文提出基于Dinkelbach方法的交替迭代算法联合设计IRS的反射系数和Alice的发射功率及Bob的AN发射功率。为了降低计算复杂度,进一步提出一种低复杂度算法以获取相应优化变量的解析表达式。仿真结果表明：与无IRS及无AN方案相比,所提方案可以显著提升隐蔽传输性能。     

无线能量传输的现状与挑战

本文阐述了在现有无线电能传输原理理论框架下较为成熟或具有前景的能量传输技术,随后对该技术的发展给人类和环境带来的电磁兼容和安全方面的挑战进行了探讨,最后为迎接这些挑战提出了一些建议。