信息和能量同传全双工中继信道的物理层安全方案

给出一种信息和能量同传中继无线信道中的物理层抗窃听安全传输方案。中继工作于全双工模式,采用放大转发方式转发信号,同时采用信息和能量同传模式从所接收到的射频信号中收集能量,并用于信号的转发。目的节点也为全双工节点,在接收信息的同时发送人工噪声去干扰窃听节点的接收。以最大化系统的保密速率为目标,对中继采用功率分裂方式和时间切换方式时的功率分裂因子、能量收集时间比例因子和信号与人工噪声功率分配因子进行优化。由于无法得到关于最优参数的表达式,因此,采用二维搜索方法来对优化问题进行求解。仿真结果表明,功率分裂因子、能量收集时间比例因子、信号与人工噪声功率分配因子的优化和目的端的协作干扰能显著提高系统的性能。     

储能发送模式下全双工双向中继系统的和速率优化

针对一类中继能量受限的放大转发全双工双向中继系统,提出了一种基于储能-发送模式的无线信息与能量同时传输方案.该方案在满足中继收集能量和节点传输功率等约束下,通过联合优化传输功率与时间切换系数等参数实现系统的和速率最大化.此优化问题在数学上是非凸的,很难或不可能求得其最优解.为此,首先提出分别优化传输功率和时间切换系数,然后利用收敛迭代方法求得原问题的次优解,最后,仿真结果验证了所提方案的有效性.与现有算法相比,所提联合优化算法能够显著提高系统的和速率.     

协作中继传输网络中基于无线供电的能量交易方法

为了让协作中继传输网络中的中继节点能够获得能量自愿协作转发源节点的信息,提高信息的传输效率,提出一种基于无线供电的能量交易方法.所提方法中包含一个源节点和目的节点以及一个中继节点和多个能源供应点(Energy Supply Points,ESP).当源节点到目的节点链路的信道质量较差时,需要中继节点帮助转发源节点的信息到目的节点.但是中继节点往往是自私的,不愿意牺牲自己的能量帮助转发别人的信息.为了使得中继节点愿意帮助转发源节点的信息,目的节点支付给周围ESP一定的报酬,以换取其通过无线供电的方式给中继节点提供能量,使得中继节点能够利用接收到的能量帮助转发源节点的信息.通过利用斯塔克尔伯格模型,研究如何对所提方法中目的节点支付给ESP的报酬和ESP提供给中继节点的能量进行优化,最大化目的节点和ESP双方的效用.仿真结果表明,本文所提的能量交易方法能够让目的节点和ESP的效用同时达到最优值,有效提高信息的传输效率.     

无线能量传输中继选择与发送功率分配方案

为了最大化无线能量传输全双工多中继系统的传输速率,提出一种利用中继采集能量并进行中继选择和发送功率分配方案。首先在最好最差信道和最大调和平均值中继选择基础上,考虑中继自干扰信道能量采集,引入中继节点不同功率约束,提出基于节点功率的最好最差信道中继选择和最大调和平均值中继选择方案;然后联合源节点两阶段发送功率分配进行优化求解,给出优化问题解耦后的两步次优解方案,求解出功率分配参数的理论次优值;最后推导得出所提最优中继选择方法的中断概率。仿真结果表明,所提出的中继选择方案比随机选择中继的容量性能在系统中继个数为5时提高了30%以上;与中继选择等功率分配方案相比,所提分配方案的系统容量提升了10%以上,中断概率在发送信噪比为15 dB时下降了16%。     

认知无线网络中基于能量采集的 单向中继选择与功率分配方案

提出了一种基于能量采集的认知无线网络的单向中继选择和功率分配方案.方案考虑主用户和次用户都能进行能量采集且信道状态信息不完美的场景.此方案首先将次用户作为中继协助主用户传输数据,同时次用户采集无线射频信号的能量,联合功率分配和中继选择策略构造了所提方案的系统能量效应优化问题.由于优化目标是非凸函数,运用分式规划变形和拉格朗日对偶方法求解.然后在此基础上构造主用户吞吐量离线优化问题,并采用广义Bender分解方法求解.最后,通过数值仿真分析评估所提方案的性能,验证了所提方案在能效方面的优势.     

基于人工噪声和SWIET的安全双向中继通信

针对基于解码转发的对称双向中继网络的安全传输问题,提出一种基于人工噪声干扰和信息、能量同时传输技术(SWIET)的物理层安全传输策略.系统采用两时隙传输方案,能量收集节点利用第一时隙收集的能量发射人工噪声干扰,而用户节点和中继分别通过功率分配技术将目的节点先验已知的人工噪声干扰添加到有用信息中,以降低窃听信道的传输质量.建立双向中继网络窃听信道下联合能量收集和无能量收集节点的两种数学模型,推导基于人工噪声干扰的系统保密容量的数学表达式,分别求解两种模型的最大化系统保密容量下最优功率分配因子,并分析了SWIET技术对系统保密容量的增益.仿真结果表明:对应于不同的窃听节点位置,所提出的联合SWIET技术的方案能使双向中继网络保密性能改善3%~90%,且能量收集节点越靠近窃听节点,系统性能越好.     

基于正交空间调制的多天线中继MIMO系统性能研究

为了在传统空间调制的基础上进一步提高无线中继MIMO通信系统的传输可靠性,本文设计了基于正交空间调制的多天线中继MIMO通信系统的传输方案,并对所设计的中继MIMO系统采用放大转发和译码转发两种中继传输协议.在系统的每个传输时隙,源节点与中继节点、中继节点与目的节点间均采用正交空间调制技术.仿真实验在瑞利平坦衰落信道下,以4QAM调制方式为例,结合不同协议下信号估计值表达式进行.实验结果表明:在系统天线配置相同时,基于正交空间调制的多天线中继MIMO系统比传统空间调制的中继MIMO系统的误码性能有明显的提高.     

OFDM放大转发中继系统信息与能量同传优化算法研究

信息与能量同传是解决无线通信网络能量受限问题的有效技术.文章针对能量受限无线中继的OFDM放大转发中继系统,研究信息与能量同传的快速优化算法,在提高系统端到端传输速率性能的同时,延长中继结点电池的使用寿命.1研究了OFDM放大转发中继系统的最优能量传输和子载波配对方案;2将信息传输功率分配和能量传输时间优化问题形成为具有非凸目标函数和非凸能量收集约束的非凸优化问题;3通过分式规划问题优化方法和CCCP(Constrained Concave Convex Procedure)方法对该非凸优化问题进行求解,提出了相应的资源分配优化算法.仿真结果表明,与已有算法相比,文章提出的资源分配优化算法可明显提高信息与能量同传OFDM AF中继系统的速率性能.     

多跳协作中继网络的能量分配及路由算法

为了减少无线多跳网络的能量消耗,提出了一种协作路由算法. 在传统非协作路由的基础上,通过译码-转发与放大-转发混合的协作中继方式减少路由长度. 根据信道状态信息,推导了满足源节点和目的节点之间信道容量的前提下,节点所需的最小发射功率. 结合功率分配,提出了基于路由最小功率的协作路由算法及实现方式. 仿真实验结果表明,该能量分配方式和路由选择算法在保持低功耗的同时,降低了数据误码率,提高了节点的通信可靠性和能量利用率.      

基于SWIPT的双向中继CR-NOMA系统研究

针对现有研究中CR-NOMA(认知无线电非正交多址接入)系统均配置单向中继,频谱利用率和能源利用率低的缺点,提出在CR-NOMA系统中通过双向中继辅助用户传输,并且中继采用无线信息和能量同时传输的方式.推导出在用户服务质量和最小能量捕获等约束条件下的次用户传输能效,将目标函数转化为单目标问题分别求解;利用交替迭代算法,对中继发射功率和功率分配因子等单目标最优解进行联合优化,以最大化次用户系统传输能效.仿真结果表明:与传统单向中继系统相比,所提方案在提高频谱利用率的同时,次用户传输能效也提高了45%.     

非对称全双工双向中继系统能效研究

研究了频率非选择性瑞利衰落信道中,具有不对称业务特性的全双工双向中继系统能效问题,其中两个源节点在不同信息发送速率情况下,借助全双工中继节点进行消息的互通。基于解码转发中继策略,在瑞利衰落信道环境下,将能效优化问题转化为一个递进式两阶段优化子问题:首先固定传输时间,优化各个传输节点的发射功率;再对传输时间进行优化,从而给出能效优化问题的闭式解。基于此解,提出一种最小化系统总发射功率的节点功率控制和传输时间分配的联合实现算法,并通过数值仿真实验验证了所提算法的有效性。仿真结果表明:在源节点具有不对称业务情况下,所提算法具有能效性能优势,并随着业务不对称度的提高,能效性能优势越加显著,在强不对称业务情形下,比“仅发射功率控制”算法可节约60 dB总发射功率。     

单窃听双跳协作网络的中继选择方案及其性能分析

研究了安全通信意义下,单向译码转发（decode-and-forward,DF）协作无线网络的中继选择问题。针对窃听者既能获得信源发出的信号,又能窃取中继节点转发数据的通信系统,提出了3种中继选择方案来对抗窃听者,增强系统物理层安全性。其中,方案一选择到窃听者信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）最小的中继节点;方案二为最大最小（max-min）选择方案,即选择信源到中继节点和中继节点到信宿的较差信噪比中最大值所对应的中继节点;方案三根据窃听信道和主信道的瞬时信道状态信息（channel state information,CSI）选择使得窃听网络有最大保密容量的中继节点。在对各方案的性能分析过程中,得到了各中继选择方案拦截概率的闭式表示,进一步对拦截概率作渐近分析,获得了各中继选择方案的分集阶数。具体地,方案一的分集阶数为1,另外2个中继选择方案的分集阶数均为中继节点个数M。数值结果验证了理论分析得到的结论。     

重叠Nakagami-m信道协作通信最优功率分配方案

为了解决重叠Nakagami-m信道衰落模型下中继译码转发协作通信系统中源与中继间由于等功率分配(EPA)造成的功率资源浪费问题,提出了一种基于渐近误符号率(SER)最小准则的最优功率分配方案(OPA).首先分析系统渐进SER解析式,在典型应用场景下对其进行进一步简化,然后将简化的系统SER作为目标函数,总功率受限作为约束条件,将功率资源分配抽象为典型的条件受限凸优化求解问题,最后利用拉格朗日乘数法对此凸优化问题进行求解,从而得出在总功率资源受限时典型场景下重叠Nakagami-m信道协作通信系统的最优功率分配方案.仿真结果表明:相较EPA方案,在较大的信噪比区间内及相同的信道条件下,OPA分配方案均能获得约1 dB的信噪比增益,且获得的实际信噪比增益与理论推导值一致.     

Nakagami-m衰落信道中的机会中继策略

针对单中继与等功率全中继策略在Nakagami-m衰落信道中通信中断率较高的问题,提出了在m为任意值的Nakagami-m衰落信道中能够明显降低通信中断率的基于放大转发协议的机会中继策略.该中继策略的最优中继选择过程无需知道全部的信道信息,仅依据源与目的地发出的标志信息来实现,从而简化了系统设计.所提策略以降低通信中断率为目标,采用近似理想功率分配原则进行信息传输,能适用较普遍的信道条件,其通信中断率的精确值还可通过计算得到,因此它不仅能改善系统的性能,还具备较好的实用性.理论分析及仿真结果表明,在Nakagami-m衰落信道中,当衰落系数m为4,通信中断率为10-2时,与等功率全中继和单中继策略相比,机会中继策略能获得约9 dB的信噪比增益.     

Optimal joint relay selection and resource allocation with QoS constraints in multiuser OFDM-based cellular networks

This paper investigates the relay selection and resource allocation problem in muhiuser orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) based cooperative cellular networks,in which user nodes could relay information for each other using the decode-and-forward (DF) protocol to achieve spatial diversity gain.Specifically,the paper proposes an optimal joint relay selection and resource allocation (ORSRA) algorithm whose objective is to maximize system total achievable data rate with the constraints of each user' s individual quality of service (QoS) requirement and transmission power.Due to being a mixed binary integer programming (MBIP) problem,a novel two-level Lagrangian dual-primal decomposition and subgradient projection approach is proposed to not only select the appropriate cooperative relay nodes,but also allocate subcarries and power optimally.Simulation results demonstrate that our proposed scheme can efficiently enhance overall system data rate and guarantee each user's QoS requirement.Meanwhile,the fairness among users can be improved dramatically.     

基于功率加权的延长网络寿命的机会中继策略

针对采用解码-转发协议的无线协作中继网络,提出了一种基于功率加权的机会中继策略,即根据每个节点的剩余能量设定其功率的权重因子,每个源节点根据加权能量消耗最小准则选择最优的协作中继,并通过单纯型法得到源节点和中继节点之间的最优功率分配,以提高能量利用率和平衡网络中每个节点的能量消耗.仿真结果表明,与其它策略相比,文中策略可以有效延长整个协作中继网络的寿命.     

基于译码重传MIMO两跳中继系统遍历容量分析

在MIMO（multiple input multiple output）两跳中继系统下基于译码重传的中继协议,给出了遍历容量的分析.对于MIMO中继系统的无序特征值给出了概率密度函数的表达,通过该概率密度函数在新随机矩阵理论下求得的封闭解,得到了整个系统遍历容量的封闭解.该解适用于任意天线布置的源节点、中继节点以及目的节点.仿真结果发现遍历容量的理论分析和实际仿真结果吻合,较简单的放大重传中继协议,提高了遍历容量.     

基于干扰感知的双路径译码转发中继选择算法

双路径中继协议(two-path relaying,TPR)可以很大程度改善由于中继半双工产生的频谱效率损失,然而双路径中继协议的中继节点间干扰会严重影响系统传输速率,为此本文针对译码转发双路径中继协议,提出了一种启发性中继选择算法以最大化系统的传输速率性能.不同于现有的中继选择算法,该算法考虑了中继间干扰,其设计原则不仅基于当前时隙信道状态,还取决于被选中中继节点的上一时隙的信道状态.仿真结果证明启发式中继选择(heuristil relay selection,HRS)算法能够克服中继间干扰问题,以较低复杂度改善系统平均传输速率.     

MRC-WTP系统的滤波器等效模型与阻抗匹配优化

针对传统电路模型中复杂负载的磁耦合谐振式无线电能传输系统分析过于复杂,在实际应用中很难达到最优阻抗匹配而影响电能传输效率的问题,提出一种基于带通滤波器理论的阻抗匹配优化方法。首先,建立一种磁耦合谐振式无线电能传输系统的带通滤波器等效模型,通过建立模型简化分析过程并得到无线电能传输系统阻抗匹配的直接表达式;然后,根据阻抗匹配对电能传输效率影响的分析,得到复杂负载下的理论最优阻抗匹配,并且揭示了在低品质因数耦合谐振系统中优化电能传输效率的实际设计约束;最后,通过仿真和实验证明本文提出的最优阻抗匹配设计使系统具有更强的适应能力。