带有下行SWIPT的强干扰WPCN中用户最小速率最大化研究

现有的无线供电通信网络(Wireless powered communication networks,WPCN)只考虑在下行链路中进行能量传输,没有考虑信息传输的需求。实际上,在很多应用场景中需要考虑利用下行链路传输信息。如何制定发送策略来权衡各用户上行传输速率的公平性与最大化是WPCN中的研究热点。本文提出一种新的在强干扰蜂窝小区中进行能量与信息传输的设计方案,将下行无线信息与能量的同时传输(Simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)与无线供电通信网络相结合,实现基站与用户之间的下行能量传输与上下行双向信息传输。该方案通过上行功率分配、下行时间分配与波束成形以实现上下行最小传输速率的最大化,从而实现各用户上下行信息传输的性能与公平性的平衡。仿真结果表明,与传统的传输方式相比,本方案显著提高用户的最小传输速率。     

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。     

基于用户协作干扰的IRS辅助安全传输方案

针对协作通信网络无线信道高度开放的信息安全问题,提出一种基于智能反射面(IRS)辅助通信与用户协作干扰的下行链路物理层安全传输方案,并给出了一种基于交替迭代的保密容量最大化算法.该方案中智能反射面通过调整反射相位辅助合法用户进行通信,并且全双工用户在接收有用信号的同时发射人工噪声,从而增强系统信息安全传输.为了求解系统保密容量的非凸优化问题,利用交替迭代算法将其分解为3个子问题,分别对基站波束成形矢量、系统功率分配系数及IRS相移矩阵进行优化.在求解的过程中推导了波束成形矢量和功率分配系数的闭式解,并分别利用连续凸近似和黎曼流形优化两种算法得到了IRS的最佳相移矩阵.分析与仿真结果表明：所提出的方案能够快速收敛,且基于黎曼流形的优化算法具有更低的复杂度.与随机相位或固定功率系数的方案相比,该方案能够显著提高系统安全性能.     

基于加权分数阶傅里叶变换的IRS安全通信

利用四阶加权分数傅里叶变换(4-WFRFT)和人工噪声(AN),提出了一种基于人工噪声和加权分数阶傅里叶变换的智能反射表面(IRS)辅助的多进多出(MIMO)无线通信系统.为了提高信道质量,在基站(BS)、合法接收者(LU)和窃听者(Eve)组成的通信系统中引入智能反射面;进一步,为了提高该系统的安全性能,引入人工噪声并使用加权阶傅里叶变换.以最大保密速率(SR)为目标,以发射功率限制和智能反射面相移单元模为约束,联合优化了基站的发射预编码(TPC)矩阵、AN的协方差矩阵和智能反射面相移.由于所提问题是一个非凸问题,因此利用块坐标下降(BCD)算法交替更新变量,同时保持安全速率不递减,最后通过仿真结果验证了该方法提高系统安全性的有效性.     

基于智能反射面与用户关联的1比特反馈波束赋形算法

针对多智能反射面辅助的多接入点多用户系统中的智能反射面选择与主被动联合波束赋形问题,设计了不依赖瞬时信道状态信息的智能反射面-用户关联与波束赋形方案。首先基于大尺度衰落参数设计关联方案。之后提出了基于1比特反馈的被动波束赋形算法,利用接收信号强度调整反射单元的相位。仿真结果表明用户关联方案对平均信干噪比存在显著影响,收敛后的1比特反馈算法能够接近主被动波束赋形相位对齐时的性能。     

智能反射面辅助的下行NOMA系统和速率最大化研究

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)与非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)都是未来6G的使能技术,文中针对IRS辅助的NOMA系统下行传输方案展开研究.为了最大化系统的和速率,建立了一个关于译码顺序、功率分配和反射相位偏移...     

IRS辅助WPCN用户公平性与系统吞吐量优化方案

为了解决无线供电网（wireless powered communication network,WPCN）中用户公平性不足与系统灵活性差的问题,提出一种基于智能反射面（intelligent reflecting surface,IRS）的优化方案。该方案直接将公平指数（fairness index,FI）和系统吞吐量加权相加作为优化目标,建立了用户公平性与系统吞吐量的联合优化问题。由于所建立的优化问题是非凸问题,因此,将优化问题拆分为时隙长度和IRS反射系数优化子问题,然后交替求解。针对时隙长度优化子问题,使用逐次凸逼近（successive convex approximation,SCA）算法求解;针对IRS反射系数优化子问题,使用闭式解、SCA和半定松弛（semi definite relaxation,SDR）算法求解。仿真结果表明,所提方案在用户公平性和系统灵活性方面优于其他方案。     

一种通信链路安全速率均衡算法

针对全双工系统上下行通信的信息安全问题, 以安全速率为设计参数, 提出一种全双工上下行通信链路安全速率均衡算法. 该算法在安全速率准则下, 通过对信息波束成形向量及噪声波束成形向量的联合设计, 可以保证全双工上下行通信链路信息的保密. 在全双工基站发射功率约束下实现了全双工上下行通信链路安全速率均大于零的保密信息传输, 并通过仿真验证了所给算法的性能.     

基于多IRS辅助的MIMO网络安全通信

智能反射面（Intelligent Reflecting Surface,IRS）可以通过调整反射元件的相移来反射信号,可以用来增强期望信号或者抑制不期望信号,在安全通信领域有着广阔的应用前景。文中研究了一种由多IRS辅助的多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）安全通信系统,建立了多IRS辅助安全通信系统中最大化保密速率的优化问题,该优化问题可以通过交替优化将其解耦为两个子问题,然后再分别设计发射端的波束形成矩阵和IRS的反射相移矩阵,从而最大化合法通信者的保密率。基于广义瑞利商,文中提出了一种改进的交替优化算法,在优化IRS的反射相移矩阵时,对所得的最优解进行归一化,使其满足约束,然后代入交替优化中进行循环。仿真结果表明,在IRS反射元件数量规模较大时,该算法的性能要明显优于现有算法。     

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。     

多天线FD-SWIPT中继信道下功率分裂和波束成形的联合优化

设计了多天线全双工(full-duplex,FD)中继信道下联合优化功率分裂因子和波束成形矩阵的能量与信息同传(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)算法.不同于现有的FD-SWIPT方案,考虑较为复杂的多天线中继系统,并用功率分裂(power splitting,PS)代替传统的时间切换(time switching,TS),使得信息传输和能量采集过程可以同时进行.给出了基于迫零算法(zero-forcing algorithm,ZF)的波束成形方案,研究了系统低复杂度的次优解,其中波束成形的使用增强了能量采集和回路自干扰抑制的能力,从而达到更大的吞吐量.还优化了PS,并利用二次插值法求出最优的PS因子,最终得到整个系统的次优解.仿真结果表明,联合优化方案可以提升系统的最大吞吐量,另外,PS因子的选择对系统吞吐量起着至关重要的作用,同时这2个优化因子都与发射功率的大小有关.     

功率分裂的无线信息与能量同传中继方案的优化

研究了无线信息与能量同时传输两跳协作中继系统中的传输方案优化问题.方案中,第1跳中继节点对接收到的源节点发送的信号进行功率分裂,一部分信号用于信息的译码;另一部分转换成能量用于第2跳的信息转发.中继采用译码转发协议,与常规方案不同,所提方案两跳采用不等时长方式,在传输总信息量一定的情况下,以两跳总传输时间最小化为目标,对功率分裂因子进行优化求解.由于无法直接完全通过解析求解获得优化结果,故采用部分解析求解和遍历搜索求解相结合的方法求解优化问题.仿真结果表明,在无线信息与能量同时传输中继模型下,所提方案的传输速率和系统吞吐量明显优于传统的两跳等时长的译码转发和放大转发方案.     

一种基于同步脉冲的混沌语音数字通信系统

采用位同步脉冲同步法设计了一种多重加密的数字混沌保密通信系统.本系统采用数值运算产生离散混沌信号,并结合PCM通信系统设计,实现了系统数字化.分析了该系统在多种攻击下的保密性能,仿真实验结果表明该系统有很强的保密性能,并更有利于工程实现.     

基于SWIPT的D2D通信辅助移动边缘计算任务卸载策略

为解决5G移动通信系统中移动用户计算能力不足、能量消耗多、无线资源缺乏等问题,本文构建一种基于无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT)的多用户设备间(Device to Device, D2D)通信辅助移动边缘计算(Mobile Edge Computation, MEC)系统模型,提出一种D2D-MEC联合卸载策略。该策略以系统中请求用户总能耗最小化为目标,采用二进制卸载模式和功率分流模式对请求用户进行任务卸载和能量收集。针对能耗最小化问题为非线性混合整数规划问题,根据整数变量和实数变量将原问题解耦为功率分配和计算任务卸载两个独立子问题,并分别采用Dinkelbach方法和匈牙利算法求出两个子问题的最优解。仿真实验结果表明,本文所提策略优于传统的D2D卸载策略和MEC卸载策略,有效降低了请求用户的总能耗,提高了任务执行效率。     

一种基于圆环阵天线虚拟运动的物理层安全通信方法

为了提高无线通信过程中信息被窃听的难度,提出一种基于圆环阵天线虚拟运动的物理层安全通信方法。该方法在信号发送过程中,用一组扩频码序列来控制天线的切换方式,应用天线周期性切换产生的谐波分量,构成被扩频码和方向信息同时调制的扩频信号。仿真结果表明,接收机对二维方向信息敏感,随着接收机方位角和俯仰角偏离期望接收机位置,信号的捕获和解调性能会迅速下降,当偏离超出一定的门限后,窃听接收机无法解调出发射信号。     

改进粒子群算法的自动阻抗匹配技术

由于无线电能传输距离的改变或谐振线圈之间发生偏移、负载改变等多方面的影响使系统的输入阻抗发生变化,导致输入阻抗与射频源内阻不匹配,使传输效率大幅下降。在射频源和发射线圈之间加入阻抗匹配网络可以提高无线电能的传输效率。为了提高阻抗匹配的精度和速度,提出了一种改进的粒子群算法。重点将改进算法和传统算法进行仿真实验比较,证明了改进算法在匹配精度和速度方面的优越性。最后将该算法嵌入到自动阻抗匹配系统中,提高了无线电能的传输效率,同时证明了所提算法的有效性。     

一种基于残差分析过滤的安全定位算法

在无线传感网络节点定位中,恶意锚节点的出现会降低网络定位性能,为了解决这个问题,根据节点定位过程中的恶意锚节点攻击特性和定位计算中的残差问题,提出一种基于残差分析和过滤的无线传感网络安全定位算法.建立了基于距离的安全定位模型,对网络定位中的残差问题进行了分析,并且通过残差特性过滤掉网络中恶意锚节点,利用剩余锚节点信息和梯度下降法对未知节点实现高精度定位.仿真表明,此算法在多个性能指标下都能取得相对较高的定位精度,并且在高强度的恶意攻击下也能保持较高的定位性能.此算法不但能有效地抵御恶意攻击对节点定位的破坏,还显著地加强了网络的定位安全性.     

能量收集网络技术研究与发展

能量收集网络(Energy harvesting network,EHN)融合了新能源的优势,为能量受限型网络提供了解决方案,同时实现传统网络的节能减排,为网络的自治与永久运行提供发展前景。针对能量收集网络这一新的研究领域,本文分别从信息论视角、能量收集模型、离线与在线能量规划、无线能量与信息联合传输4个方面综述近年的研究现状与相关结论,旨在为能量收集网络的研究发展提供参考。