保密多输入多输出无线携能系统的节能稳健优化

研究了包含多个多天线窃听者的多输入多输出无线携能系统.在窃听者信道状态信息不精准的情况下,通过联合设计波束成形矩阵、人工噪声协方差矩阵和功率分配比,在满足发射功率约束和能量收获约束的条件下,最大化系统最差情况保密能量效率.基于分式理论,将原非凸问题转化为减式形式的等效优化问题.通过新颖的等效变换,解决了多个优化变量之间的耦合问题,避免了交替优化.借助于S-procedure和一阶泰勒级数展开,将难以处理的非凸问题转化为凸问题.提出了基于Dinkelbach方法的两级优化迭代算法且仿真结果验证了该算法的有效性和收敛性.     

无线携能通信中基于时间反演的能量效率优化

针对无线携能通信(SWIPT)中的能量效率(EE)优化问题,考虑在满足一定通信服务质量和收集能量的条件下,通过一种基于时间反演(TR)的优化算法最大化系统的EE.首先,将TR引入SWIPT中构建新型的传输方案,并分析EE的闭合表达式.其次,对问题进行规划和分析,发现该优化问题是一个二元分式非凸规划问题,需要进行数学变换将其转化为凸优化问题.最后,通过Dinkelbach算法和CVX得到问题的解.仿真结果表明:解码噪声功率、最大发射功率及信噪比增大时,优化后的EE也会增大,且在满足约束条件时,基于TR的优化算法能够明显增大EE,提升系统性能.     

基于5G的无线携能通信技术研究与发展

无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术提高了频谱的利用率,同时可实现传统网络的节能减排,为网络提供了更智能的自治能力、更广泛的覆盖范围、更高度集成的系统能力等美好前景.针对这一新的研究领域,本文从资源优化分配和安全传输的角...     

异构需求下无人机无线携能传输优化策略

物联网设备电池容量有限且充电不便,无人机无线携能传输技术很好地解决了这个问题,可以实现能量和数据的同时传输。根据节点设备的异构能量需求,提出了基于全网满意度最大化的无人机位置和功率联合优化策略。将无人机与地面节点关联系数的优化问题建模成联盟形成博弈问题,通过设计合作准则,证明了其存在纳什均衡点。基于最大化满意度准则,探索无人机最佳悬停位置。在确定关联系数、无人机位置后,采用凸优化方法求解无人机与节点之间的发射功率。仿真结果表明,所提联合优化策略能够较大幅度地提升全网满意度。     

融合无线携能通信的可充电雾计算迁移研究

雾计算网络场景下移动设备因其电池寿命有限而大大制约了其工作能力,简单的计算迁移方案已无法满足用户的服务需求。因此,文中提出了一种融合无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT)的可充电雾计算迁移机制。具体地,通过充分考虑任务迁移比、传输时间和功率分割比的联合优化,构建了一个多用户场景下最小化所有任务完成总能耗的优化问题。基于上述非凸优化问题,提出了一个基于凸差规划与加速梯度的交替优化算法,该算法基于凸差规划和交替优化理论,将非凸优化问题转化成两个凸优化子问题进行交替求解;同时,结合加速梯度下降方法,实现任务迁移比、传输时间和功率分割比等最优解的快速求解。特别地,通过在传统FC模型中融合SWIPT技术,使得智能设备从射频信号中解码结果信息的同时可以从中采集能量,以延长电池的使用寿命。最后,仿真结果表明文中所提出的可充电雾计算迁移机制可以有效降低任务处理能耗,较DGECO方案能耗平均降低了约12.8%。     

IRS辅助认知无线携能通信网络的发射功率最小化算法

智能反射平面（IRS）和认知无线携能通信技术被视为是提高能量效率和频谱利用率的潜在关键技术。文中研究了基于非线性能量采集模型的IRS辅助认知无线携能通信网络,其中次用户发射机同时给多个次用户接收机发送信息和能量,每个次用户接收机采用功率分割方式实现信息解码与能量采集,目的是通过联合优化次用户发射机的波束成形矢量、次用户接收机的功率分割系数以及IRS相移使次用户发射机的发射功率最小化。为了保证次用户发射机的信息与能量传输效率并限制次用户发射机对主用户接收机的同频干扰,考虑次用户接收机具有最小信干噪比约束、最小能量采集约束与功率分割系数约束,次用户发射机对主用户接收机有最大干扰功率值约束,以及IRS具有反射相移约束。所构建的问题属于非凸的二次约束二次规划问题,并且优化变量之间高度耦合,难以求解。文中提出一种基于半正定松弛法和连续秩一约束松弛法的交替优化算法进行高效求解。为了降低复杂度,进一步提出一种基于IRS分组的低复杂度优化算法。仿真结果表明,与几种基准算法相比,所提算法能够有效降低次用户发射机的发射功率。     

基于智能反射面的无线携能认知网络鲁棒传输设计

针对智能反射面辅助的无线携能认知网络,提出了一种基于用户非完美信道状态信息的波束成形方案,提高网络的频谱和能量收集效率。在假设用户信道误差范数有界的条件下,建立了以信息接收用户最小可达速率最大化为目标函数,以满足信息接收用户和能量接收用户需求、主用户干扰阈值和基站最大发射功率为约束条件的优化问题。针对此非凸问题,提出利用三角不等式、交替方向乘子法和交替优化的迭代算法,以较低的计算复杂度求解得到基站的有源波束成形权矢量和智能反射面的无源波束成形矩阵。最后,仿真验证了所提方案相较于随机相位方案能够有效提高系统的性能,证明了在携能认知网络中引入智能反射面的可行性和有效性。     

单发多收无线窃听信道中的自适应保密速率传输方案

针对无线通信中基于保密中断的物理层安全问题,提出了一种单发多收(SIMO)窃听信道下使用保密中断概率约束的自适应保密速率方案。利用信道估计与信道的衰落特性分别获得发射端到合法接收端信道(主信道)的信道状态信息(CSI)与发射端到窃听者信道(窃听信道)的统计CSI。在发射端已知主信道CSI而未知窃听信道CSI的情况下,根据主信道CSI和窃听信道CSI的概率密度函数对保密传输速率进行自适应调整,并根据保密中断的定义确定发射门限,然后在满足保密中断概率约束的条件下实现保密吞吐量的最大化。在准静态瑞利衰减信道条件下进行了仿真验证,结果表明:与以往的SISO系统方法相比,在保密中断概率低于0.1、合法接收端天线数不少于窃听端时,系统的保密吞吐量可提高1倍以上;即使合法接收端的天线数少于窃听端,只要合法接收端的天线数足够多,SIMO系统的保密吞吐量仍能优于SISO系统。     

人工噪声辅助的保密通信及其窃听算法

无线网络的开放性使得其信息传输的安全性面临更大挑战。一种通过在窃听信道发射人工噪声来干扰窃听者的方法被广泛研究,并用于保障物理层安全通信。分析了人工噪声方法的不足,推导了其安全通信的必要条件,提出一种有效的窃密算法来对抗该安全机制。该算法中,当窃听者拥有比发射机更多数量的天线时,可以抑制接收到的人工噪声,且能采用复值独立分量分析(independent component analysis,ICA)将私密信息截获。数值仿真验证了该窃密算法能够对抗人工噪声、获得良好的窃听效果。     

基于SWIPT的无小区大规模MIMO-NOMA系统能量效率研究

无小区大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)与非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)都是未来6G的使能技术。无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT)技术在进行信息解码的同时收集能量,与无小区大规模MIMO-NOMA优势互补。文中基于SWIPT研究无小区大规模MIMO-NOMA系统中的能量效率问题,通过联合优化功率分配系数和SWIPT的时隙切换(Time Switching, TS)系数,提高系统的能量效率。为了最大化能量效率,采用布谷鸟算法设计功率分配系数。考虑一种特殊情况,将所有终端的TS系数设置相同,进而推导了最佳TS系数的封闭表达式。仿真结果表明,相较于几种已有方案,文中提出的优化方案可以显著提升系统的能量效率。     

电磁谐振无线能量传输系统参数研究

谐振线圈参数直接影响电磁谐振无线能量传输系统的效率,研究线圈参数与传输效率之间的关系,对无线传能系统的研究和设计有着非常重要的意义.推导了电磁谐振无线传能系统的数学模型,并利用Matlab对系统的频率、线圈半径、线圈匝数、线圈长度、线圈间距离等参数进行了仿真研究.研究结果指出了系统各参数变化时对系统效率影响,频率、线圈半径和线圈匝数等参数增大有利于提高传输效率,但增大到一定程度后对效率的影响不再明显;线圈长度和线圈间距离增加会降低系统效率,但可以通过提高系统频率来进行补偿.     

经皮无线供能系统多物理场仿真技术

为了研究人工心脏经皮无线供能系统各电路电量与物理场场量之间的相互关系以及系统生物安全性,提出了一种多物理场仿真研究方法。该方法基于COMSOL仿真软件建立了经皮无线供能系统的电-磁-热多物理场耦合模型,模型包括电路模型和几何模型,电路模型主要包括逆变电路、补偿电路和整流滤波电路,几何模型主要包括发射线圈、接收线圈以及人体皮肤生物组织模型。通过仿真计算获得经皮无线供能系统在谐振和非谐振状态下各电路的电流、电压波形以及生物组织安全性指标比吸收率、场强和温度的数值,并参照国际人体电磁安全和人体生理学标准进行安全性评估,该研究为人工心脏经皮无线供能系统的设计和优化提供了有力的分析工具。     

一类多输人多输出系统的容错控制设计

通过对多输入多输出(MIMO)多变量反馈控制系统在某环节发生故障或失效时的系统稳定性分析,得出系统稳定性与其回差矩阵有关.提出了针对一类开环传递函数矩阵对象为本质稳定及解耦后仍是本质稳定时系统的冗余设计方法.通过控制律的重构,能有效解决环节发生故障或失效时系统稳定性的问题,达到对复杂控制系统实现容错控制的目的.仿真结果表明该冗余设计方法是可行的.     

基于SWIPT 的去蜂窝大规模 MIMO系统安全传输方法

基于无线携能通信(SWIPT)技术,研究分析了去蜂窝(cell-free)大规模多输入多输出(MIMO)系统的安全传输问题。Cell-free大规模MIMO是一种随着5G及6G发展而产生的一种新型网络架构,对实现SWIPT来说具备更为有效的优势,然而也面临更大的电磁波安全问题。首先从硬件设计和理论研究两个方面总结了SWIPT的研究现状,接着对基于SWIPT的Cell-free大规模MIMO网络进行了建模,为同时满足系统能量采集和安全性要求,针对存在主动窃听者的情况,提出了一种基于最大-最小公平算法的迭代功率控制方法,分析得到了可采集能量和可达速率的闭合表达式。数值仿真表明,该方法可以有效提高每个用户的可达速率和采集的能量,并将窃听速率降低到阈值以下。     

基于自供电智能反射面辅助的MISO系统无线安全传输

为增强无线通信的安全性,面向多输入单输出(Multiple Input Single Output, MISO)系统,提出了基于自供电智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)辅助的物理层安全传输方案,其中IRS被用以协助基站到合法用户的信息传输,同时抑制传输给窃听者的信号,以此实现系统的安全传输。为保证IRS有足够的能量维持其运行,设计了基于时间切换(Time Switching, TS)的能量收集方案,即将传输块分为能量收集阶段和信息反射阶段。在能量收集阶段,IRS从基站发射的射频信号中收集能量;在信息反射阶段,IRS利用先前收集的能量辅助基站的信息传输。为了最大化系统安全传输速率,设计了关于基站波束成形向量、时间分配和IRS反射相位的联合优化问题。由于该问题为非凸优化问题,为此设计了基于两阶段的高效算法,并通过交替优化、半正定松弛(Semi-Definite Relaxation, SDR)、连续凸逼近(Successive Convex Approximation, SCA)等技术获得了次优解。仿真结果表明,所提出的方案可以有效地提升系...     

中继线圈对电动汽车无线充电系统的优化

电动汽车无线充电装置具有灵活性,没有直接的电气接触,比传统的充电桩安全,但是传输效率较低,传输距离较近,为了改善这个问题,设计了基于中继线圈的磁耦合谐振式无线能量传输系统.利用互感理论分析了含有中继线圈的磁耦合谐振式无线能量传输系统模型,并利用Matlab仿真验证了中继线圈应用到电动汽车无线充电上可以增加传输效率和传输...     

无线传感器网络中能量高效的时间同步算法

针对能量受限的无线传感器网络,提出一种能量高效的时间同步算法(EETS).EETS采用时钟频偏校正、本地广播认证以及自适应冗余报文技术,使得无线传感器网络中的时间同步具备能量高效和安全的特性.仿真结果表明EETS满足了这两点目标.     

基于电磁感应的消化道内微系统的无线供能

针对人体消化道内微小系统,提出了利用电磁耦合进行无线能量传输的方法.体外发射线圈围绕在腰间,产生交变磁场,体内微小接收线圈产生感应电压,两线圈耦合从而实现能量传输.基于线圈耦合电路模型,推导了弱耦合条件下能量传输效率公式和效率最大化条件.对比分析了两种电路结构,给出了提高能量传输效率的根本途径.实验验证了方案的可行性和能量传输效率公式的正确性.结果表明,200 mW功率能够可靠传输,效率达1.31%.