无人机通信的鲁棒轨迹设计和用户调度

由于定位误差等原因,无线通信信道状态信息往往不够准确.针对无人机(UAV)辅助通信系统,考虑在信道状态信息(CSI)不准确情况下的有效下行通信方案,利用UAV灵活性高的优点提高下行通信质量.为了兼顾所有地面用户通信质量,在给定的飞行时间内联合优化UAV的飞行轨迹和地面用户调度,最大限度提高最坏情况下所有地面用户中最小平均可实现传输速率.该优化问题是非凸的,难以直接求得最优解.采用块坐标下降(BCD)技术将原优化问题解耦为UAV轨迹优化和地面用户调度优化两个子问题,再采用连续凸逼近(SCA)技术将非凸子问题近似为凸优化问题求解.仿真结果表明,相较于两种基准方案,提出的联合优化方案可以显著提高系统的可实现传输速率.     

轨迹和干扰功率联合优化的无人机主动窃听算法

研究一种无人机(UAV)作为合法窃听器的无线通信窃听算法.首先,将一个合法窃听器(UAV(E))用于窃听可疑发射器(UAV(B))发送到地面可疑接收器的可疑信息.然后,利用可疑系统的特点,提出一种有效的主动干扰方案,从而最大限度地提高有效窃听速率;针对构造的原问题是一个优化变量耦合的混合非凸优化问题,应用更新速率辅助的块坐标下降和连续凸优化技术,在每次迭代中交替优化无人机轨迹和干扰功率.最后,针对非凸的无人机轨迹优化和干扰功率优化问题,分别利用连续凸优化算法将原非凸问题转化为近似的次优化问题,再使用凸优化方法进行求解.仿真结果表明:相较于其他基准算法,文中算法具有更高的有效窃听速率.     

磁耦合谐振式无线能量传输效率分析

为分析无线能量传输的效率问题,利用电磁仿真软件HFSS,建立了单个线圈模型,利用单个谐振线圈模型构建了基于磁耦合谐振的能量传输系统。通过S参数曲线直观反映能量传输效率的变化规律,验证了磁耦合谐振式能量传输效率远远大于一般的感应耦合。通过改变模型中两线圈的相对位置,分析了线圈距离、夹角等因素对能量传输效率的影响,依据效率变化曲线,直观展示了频率分裂现象。仿真和分析表明,为实现系统的高效率、远距离能量传输,应尽量减小收发线圈的角度和线圈的错位偏移量,该系统为设计和优化无线电能传输系统提供了一种理论分析方法。     

无人机无线能量传输网络多波束阵列设计与位置部署

针对无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)辅助的无线能量传输(wireless power transfer, WPT)系统，构建了一种能量波束设计以及无人机悬停位置部署的联合优化方案，以最大化所有用户接收的总能量。针对优化问题是非凸、难以直接求解的情况，提出一种联合优化多波束设计和无人机三维位置的迭代算法，利用巴特勒矩阵设计高增益、宽覆盖范围的能量多波束，利用穷举算法寻找无人机最优二维位置，通过单调性理论得到无人机的最佳悬停高度。仿真结果表明，所提出的算法能显著提升无线能量传输效率。     

电动汽车无线充电系统SS型补偿拓扑研究

随着电动汽车的普及,电动汽车的无线充电技术受到了广泛的关注.磁耦合谐振式无线传输系统的传输功率大,传输距离适中,因此磁耦合谐振式无线充电技术普遍应用于电动汽车无线充电.磁耦合谐振式无线充电系统可视为松耦合变压器,系统的原、副边线圈之间存在较大的漏感,需要添加相应的补偿拓扑来提升系统的功率和传输效率.对SS型补偿拓扑进行分析,并通过Matlab软件对其进行仿真,分析在不同的负载、电感和频率下系统的输出功率、传输效率的改变.结果显示SS型补偿拓扑的磁耦合谐振式无线传输系统可以承受较大范围的频率波动,输出功率和传输效率也较高,表明该拓扑结构适用于电动汽车无线充电系统中.     

基于铁氧体反射器的磁谐振无线能量传输效率的优化

为了改善磁耦合无线能量传输系统的传输效率随距离增加而快速衰减问题,提出一种基于铁氧体结构的优化设计方案.将四谐振体无线能量传输系统等效为二端口网络,分析推导了系统传输效率的表达式.仿真并设计制作了收发线圈直径为30cm的磁耦合无线能量传输系统,实测在30cm传输距离内传输效率达90%以上,在60cm处传输效率约40%,测试结果与仿真结果相吻合.在此基础上,保持原始系统的结构参数不变,引入基于铁氧体结构的磁反射面.研究了两种不同面积大小的磁反射面对系统传输效率的影响,发现不同面积的磁反射面对系统的传输效率有积极和消极两种影响.通过对铁氧体结构的优化设计,实现在30cm到90cm的传输距离内,相比原始系统传输效率最大有15%的提升.     

磁耦合谐振无线电能传输系统线圈角度偏移的联合仿真

针对在某些特殊环境下无线充电装置的发射线圈与接收线圈产生角度偏移的非线性耦合问题展开研究,依据磁耦合谐振式无线电能传输电路模型,对无线电能传输效率与发射线圈和接收线圈之间的偏移角度的关系进行了分析。使用ANSYS Maxwell仿真软件,建立了多种线圈偏移角度模型,分析了线圈参数,将所创建的线圈偏移角度模型导入ANSYS Simplorer仿真软件,对磁耦合谐振式无线电能传输系统进行联合仿真。通过研究得出了角度偏移的一种极限曲线,有助于磁耦合谐振式无线电能传输系统的非线性校正和优化。     

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.     

基于磁耦合共振的无线能量传输特性分析

为了提高磁耦合共振系统的能量传输效率,通过研究系统无线能量传输特性,探索了系统传输效率随耦合距离变化的规律。基于二端口网络分析方法,建立了磁耦合共振无线能量传输的等效电路模型,求解出共振系统发生频率分叉现象产生的条件以及最大效率时的频率表达式。通过数值仿真对共振系统传输特性进行了分析,揭示了系统的固有共振频率会随着耦合距离的增加,由两个相差较远的共振频率逐渐靠近,直至跨越临界条件,汇聚为一个共振频率的规律。实验结果与理论分析吻合,所建理论模型能够准确描述整个共振系统的能量传输特性。结论可为优化磁耦合共振无线能量传输系统工作效率提供理论依据。     

基于PWM控制的可调电感补偿的谐振式无线充电技术

磁耦合谐振式无线充电技术是电动汽车充电领域新的发展方向,与强耦合感应式无线充电技术相比,磁耦合谐振式无线充电方式传输距离更远,无辐射污染,穿透性强。然而,在定距离串并磁耦合谐振式无线充电装置中,当发射线圈与接收线圈的距离由于某种原因发生变化时,原方和副方的谐振频率不一致,需要实时调整补偿电容,才能保证工作在当前距离下的最大效率。在分析前述问题的基础上,提出了一种基于PWM控制可调电感补偿方案,并通过实验验证了该方法能在一定距离范围内有效提高系统在变距离中的传输效率。     

微机器人胶囊能量无线传输系统的优化设计

微机器人胶囊能量无线传输系统的传输性能受到谐振频率、耦合系数、线圈匝数、线圈半径、补偿电容、线圈互感等诸多因素影响.为实现系统性能的全局最优,必须在满足微机器人胶囊最低能耗要求的前提下提高系统传输效率,同时兼顾系统稳定性、温升安全性、可靠性、体积参数等因素.文中基于微机器人胶囊能量无线传输系统初级线圈串联补偿-次级线圈串联谐振补偿模型,建立了系统的能效模型,以初、次级线圈匝数与线圈半径、谐振频率等参数作为优化变量,构建了优化问题的目标函数,对微机器人胶囊能量无线传输系统进行综合优化设计.针对该多变量非线性约束优化问题,采用了改进的遗传算法进行优化计算.实验结果表明,所提出的优化设计方法正确有效,所设计的的微机器人胶囊能量无线传输系统样机的能效达86.6 mW,传输效率达8.01%.     

基于磁耦合谐振的线圈优化设计

磁耦合谐振无线能量传输技术近几年已经引起了广泛的关注和研究,但因为收发线圈体积较大,对于小功率设备的实际应用存在一定的困难.针对该问题,首先建立无线能量传输模型,从理论角度分析线圈Q值在能量传输中的作用;其次,通过三维电磁仿真软件HFSS对手持设备尺寸大小的平面螺旋电感进行优化设计;最后搭建一个小型无线能量传输系统,实现距离为0.1m、传输效率为60%、接收功率为5 W的能量传输,为小体积线圈在小功率设备中的应用提供参考.     

基于脉宽调变控制的可调电感补偿的谐振式无线充电技术

磁耦合谐振式无线充电技术是电动汽车充电领域新的发展方向,与强耦合感应式无线充电技术相比,磁耦合谐振式无线充电方式传输距离更远、无辐射污染、穿透性强。然而,在定距离串并磁耦合谐振式无线充电装置中,当发射线圈与接收线圈的距离由于某种原因发生变化时,原方和副方的谐振频率不一致,需要实时调整补偿电容,才能保证工作在当前距离下的最大效率。在分析前述问题的基础上,提出了一种基于脉宽调变(pluse-width modulation,PWM)控制可调电感补偿方案;并通过实验验证了该方法能在一定距离范围内,有效地提高系统在变距离中的传输效率。     

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.     

基于能量感知的传感网能量中性分簇路由协议

针对能量获取异构的无线传感器网络节点能量利用效率过低和网络无法保证持久运行问题,提出一种基于能量感知的能量中性分簇路由协议,该协议针对太阳能环境下节点获取能量异构的场景,将改进的天气条件移动加权平均算法引入能量收集预测过程,根据获取能量预测构建能量中性约束,在此约束下构建动态簇头集群机制和自适应时隙分配策略,保证了整个网络在能量获取下的持久运行,通过凸优化得到最优的网络分簇数量,最大化了网络数据吞吐量。通过模糊逻辑选择簇头节点,综合节点剩余能量,获取能量预测和节点相对位置等多种因素,提高了簇头选举的合理性。通过仿真分析,该协议能够保持能量获取下网络持久运行,在网络吞吐量和降低簇失败次数方面的性能具有明显优势。     

EHWSNs中面向吞吐量和能耗优化的时隙分配算法研究

针对在具有移动汇聚结点(Sink)的能量收集无线传感器网络中,如何在数据收集时提升网络吞吐量和降低能耗的问题,分析了Sink移动距离与节点数据传输的时间周期之间的关系,将面向吞吐量和能耗优化的数据收集问题建模为基于混合整数线性规划的优化问题,并提出了一种基于有效传输周期的时隙分配算法来对其进行求解。算法主要分2个阶段进行：移动Sink在每个时间周期内识别出可进行数据传输的邻居节点,并为其分配时隙;移动Sink根据数据可用性对节点进行排序,并最终决定哪些节点在各个时隙期间发送数据。理论分析和仿真实验结果表明,所提算法在吞吐量和能耗方面的性能优于当前典型算法,且计算复杂度更低。     

谐振式无线电能传输系统谐振线圈优化设计

通过耦合模理论推导出无线电能传输系统发射和接收线圈之间实现能量高效转移的条件,利用等效电路模型对磁耦合谐振线圈进行分析,通过MATLAB仿真软件,得出耦合谐振线圈各参数与传输效率的关系.通过对具体模型进行优化,模型效率明显提高,为耦合线圈的优化设计提供依据.     

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%.     

基于风光互补发电无线电能传输系统的研究与设计*

风光互补发电系统作为一种绿色能源可独立对外部供电,无线电能传输(Wireless Power Transfer)技术又提供了一种方便快捷的能量传输方式,本文结合两者的优点,将风光互补发电系统的输出作为WPT谐振电路的输入端,利用无线电能传输技术对负载供电,利用了绿色能源的同时又能节约电力运输成本。分析了磁耦合感应与磁耦合谐振之间的联系以及平面线圈频率分裂的相关因素,针对目前小型平面谐振无线充电设备随发射端和接收端距离的变化而产生传输波动的问题,在发射端采用XKT-408集成电路进行自动频率锁定,在发生频率分裂时调整线圈偏移角度可削弱两线圈的互感系数来抑制频率分裂现象,提高了接收线圈峰值电压。最后搭建了小光互补无线能量传输系统,在径向距离50mm处可成功对负载充电,该模型为基于风光互补发电无线充电系统的应用提供了参考。     

具有QoS保证的RF能量采集认知无线网络高能效资源分配技术

考虑了一种基于射频能量采集的认知无线网络系统。其中,次用户发射机（ST,secondary transmitter）首先从主用户（PU,primary user）发射的射频信号中收集能量,然后利用所收集能量与次用户通信。此外,ST保留有可能来自之前传输块的剩余能量作为初始能量。目标是通过传输时间和发射功率联合优化,达到次用户网络能量效率最大化。为保证次用户网络服务质量（QoS,quality of service）,在能量效率最大化过程中对ST施加最小吞吐量需求约束。由于能量效率最大化是非线性分数规划问题,提出了一种基于Dinkelbach方法的快速迭代算法来实现资源的最优分配。仿真结果表明,该算法收敛速度快,可以在保证QoS约束的同时显著提高系统的能量效率。