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。     

基于功率分配器的大规模信息能量同传系统吞吐率优化

研究了基于下行无线信息和能量协同传输(simultaneous wireless-information and power-transfer,SWIPT)大规模多输入单输出(multiple-input and single-output,MISO)系统的吞吐率优化问题.该系统为时分双工(time division duplex,TDD)模式,同时移动站采用先收集后传输的协议.在下行信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和移动站的传输功率约束下,为实现上行吞吐率的最大化,对功率分配系数和下行传输时间进行了联合优化,由于该问题为非凸优化问题,采用基于拉格朗日乘子的梯度算法进行优化.最后,通过与单独优化下行传输时间算法的比较,验证了该联合优化算法的优越性.     

异构蜂窝网络中基于SWIPT的D2D资源分配算法研究

为了解决异构蜂窝网络中D2D(Device-to-Device)通信干扰导致系统能量效率下降的问题,提出一种基于SWIPT的D2D通信资源分配策略,以实现D2D链路的能量效率最大化。该策略对系统中多种干扰进行建模,构建干扰图和伙伴候选集合;将优化问题转化为功率控制和信道分配两个子问题,运用KKT条件和拉格朗日乘子法,求解D2D链路复用候选集中子信道的最优发射功率和功率分割比。仿真结果表明,所提出的分配策略能明显提升系统的能量效率,在保证服务质量的前提下能有效提高D2D用户接入率。     

智能超表面辅助双小区NOMA系统下行低功耗传输方案研究

由于在频谱效率与功率效率方面的优势,智能超表面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)和非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)被视为未来无线通信的两项关键技术,文中针对IRS与NOMA的融合系统展开研究。具体地,将IRS部署在两小区的边缘,用于提升小区边缘用户的传输性能,建立了IRS辅助两小区NOMA系统的下行传输功率最小化问题。为了求解建立的发射功耗最小化问题,推导了基站传输功率与IRS相移矩阵之间的关系,并将传输功率分配系数和相移矩阵的联合优化问题转化为单纯的相移优化问题。由于相移向量中每个元素需服从恒模约束,转换后的相移优化问题仍为非凸优化问题,提出了一种顺序相位旋转算法进一步求解相移优化问题。仿真结果表明,在相同的实验配置下,文中提出的下行传输方案在发射功耗方面的性能明显优于其他基准方案。     

智能反射面辅助的非正交多址系统协作多点传输方案研究

智能反射面(Intelligent Reflection Surface, IRS)和非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)被认为是6G的关键创新型技术,将两者融合可以大幅提高通信系统的频谱效率与能量效率。文中针对IRS辅助的双小区协作多点与非正交多址接入融合系统展开研究,具体地,将IRS部署于两小区中间的小区边缘附近,用来提升边缘用户的信号质量。在考虑用户服务质量(Quality of Service, QoS)与基站发射功率限制的条件下,建立了最大化小区边缘用户可达速率的优化问题。由于该问题是非凸的,很难直接求解,将此问题分解为两个子优化问题,采用交替优化算法进行求解。具体地,采用二分法解决功率分配系数优化问题;采用均方误差(Mean-Square Error, MSE)方法将优化问题转化为等效形式,再通过最大最小化(Majorization-Minimization, MM)算法进一步解决相移优化问题。仿真结果显示,所提出的解决方案使得边缘用户可达速率明显高于其他基准方案。     

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.     

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.     

分布式天线系统中基于天线选择的能量效率优化

为了进一步解决无线通信系统的能量消耗问题, 以分布式天线系统单小区为模型,提出了一种将天线选择和功率分配技术相结合的最大能量效率优化算法(max-ANPO-EE算法):通过选取用户一定距离范围内的天线后,利用拉格朗日函数和次梯度得到各个天线的最优发送功率,从而推导出相应的能量效率性能表达式,得到最优的能量效率.仿真结果表明:在用户和天线随机分布的单蜂窝小区网络内,max-ANPO-EE算法能获得比较好的性能.     

森林火灾监测传感网能量收集优化技术

建立基于MIMO的传感器网络森林火灾监测系统.针对无线传感器网络(WSN)能量严格受限和节点间能量均衡的问题,引入能量收集技术,完善采用无线信息和功率同时传输(SWIPT)技术的系统模型.仿真分析和原型实验结果表明,MIMO有效降低了能耗;能量效率随发射功率额度的增加而迅速增加,当达到3 dBm时趋向平稳;能量收集方案使节点接收端保留了较多剩余能量,并且节点间剩余能量较为均衡.     

IRS辅助的MISO-SWIPT安全速率最大化算法

为增强系统的稳定性,基于智能反射面（intelligent reflection surface,IRS）辅助安全通信,为用户采用功率分配架构的无线携能传输（simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT）技术以提高用户安全速率并降低用户的能量消耗,建立了系统安全速率最大化的目标函数模型;考虑IRS相移约束、基站最大发射功率、功率分配比率约束和用户最低能量采集约束,提出了一种基于交替优化的安全速率最大化算法。利用连续凸近似算法,将目标函数转化为凸的形式;采用交替优化,对耦合变量进行解耦处理;提出一种波束赋形算法以实现安全速率最大化。仿真表明,提出的算法能够有效提升IRS辅助的SWIPT系统的安全速率,至少比其他算法提高了2.63bps/Hz。     

全双工双向中继系统的功率分配方案

提出了最大化系统的频谱效率(SE)和能量效率(EE)两种功率分配方案.EE优化问题用迭代算法求解,首先运用分式规划的方法把优化问题转变成易求解的非分式优化问题,然后运用Dinkelbach算法求得用户节点的最佳功率,再运用一维搜索求得最佳中继放大系数,最后利用迭代算法求得EE最大值.SE优化问题同样用迭代算法求解.仿真结果显示,针对不同目标函数的两种功率分配方案分别提高了系统的EE和SE,同时迭代算法能够快速收敛获得最优解.     

一种基于能效的中继选择和功率分配方案

为了进一步减少放大转发(Amplify and Forward,AF)策略下的单源中继协作通信系统的能量消耗,提出一种在近似高信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)条件下的基于能效的中继选择和功率分配方案。该方案中的能量消耗不仅包括了传输功率,还包括了信号处理所消耗的功率。区别于当前大多采用精确SNR公式进行中继选择研究的情况,该方案在满足所需数据传输速率以及传输功率受限的前提下,采用简单的近似高SNR公式,以能效最大化为准则推导出中继选择和功率分配的表达式,同时还重新设计了两跳中继系统中能量效率和频谱效率间的折中方法。仿真结果表明,所提出的中继选择方案相比其他方案能更有效地提高系统的能量效率,并且能达到能量效率与频谱效率间不错的折中效果。     

MIMO双向中继信道能量效率优化算法

研究了多输入多输出(multiple input multple output,MIMO)双向中继信道的能量效率优化问题。首先考虑无功率约束下的能量效率优化问题,采用嵌套优化方法得到最优的功率分配。然后求解有功率约束时的能量效率优化问题,如果无功率约束时的最优解在最大功率约束内,则该最优解为有功率约束时的最优解;否则通过确定一部分节点的最优发射功率,减小剩下节点的发射功率的优化区间来求解该问题。仿真结果验证了所提优化算法的有效性。     

能量有效的多小区OFDMA下行链路资源分配算法

为了实现多小区正交频分多址(OFDMA)下行链路资源动态分配,采用非合作博弈给出多小区OFDMA子信道分配和功率分配的联合博弈模型,各小区以最大化能量效率为目标实现资源动态分配.由于最优子信道和功率联合分配是NP-hard问题,为了求解联合博弈问题,首先,将其分解为子信道分配和功率分配2个子问题,然后,采用干扰信道增益比最小准则实现子信道分配,在此基础上,利用非合作博弈实现功率分配.理论分析显示:该博弈模型可表达为潜在博弈,从而保证了非合作博弈收敛于纳什均衡解.仿真结果表明:算法性能良好,虽然一定程度上降低了传输速率,但获得了较高的能量效率,实现了能量效率和传输速率折中.     

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%。     

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。     

全双工中继协作下认知MIMO系统的自干扰收集

针对传统基于能量收集的全双工认知多输入多输出(MIMO)系统忽略自干扰对提高能量利用率的作用问题,建立了基于全双工MIMO的认知中继网络,通过能量收集技术进行自干扰收集.研究了系统能量效率最大化问题,在满足中继发送功率限制等约束条件下,对传输信号协方差和功率划分因子进行联合优化.利用半定松弛算法将系统优化问题转化成凸优化问题,并结合注水功率算法分析得到最优解.仿真结果表明:与传统自干扰消除模式相比,所提方案在保证系统频谱效率的同时,系统能量效率还可提高13.9%;在自干扰收集模式下,与系统容量最大化方案相比,所提方案每传输1 bit信息可降低近0.1 J的功率消耗.     

基于SWIPT的协作中继系统动态时间分配策略

无线信息与能量同步传输技术为通信系统中能量受限型节点提供了解决方案,可延长节点生命周期。为研究时间分配对系统中断性能的影响,针对采用解码转发策略的SWIPT协作中继系统,研究构建系统信道容量模型,在满足系统最低传输速率的约束下,提出一种中继动态时间分配策略来优化传输。该策略首先对系统目的端节点的中断概率进行分析,推导得出系统中断概率与时间分配系数之间关系的表达式,然后以最小化中断概率为目的构建优化求解模型,利用迭代算法得到问题的解。仿真结果表明,与现有的传输策略相比,动态时间分配策略可以显著减少系统中断概率,能较好地改善系统传输性能,保障系统的可靠运行。     

基于SWIPT NOMA的星地系统性能分析

为了提高星地系统的资源利用率和用户公平性,提出一种无线携能(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT) 非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)技术辅助星地系统的传输方案.首先,在非理想信道状态信息(channel state information,CSI)条件下研究了系统的中断性能,并推导了中断概率表达式.其次,通过分析渐近中断概率,发现由于存在非理想CSI导致中断概率在高信噪比区域出现了错误平层.此外,还研究了不同程度的信道估计误差和阴影衰落对系统吞吐量和能量效率的影响.最后,通过数值仿真结果验证了理论推导的正确性和SWIPT NOMA技术引入星地系统所获得的性能增益.     

基于对偶分解的 MU-CoMP 联合资源分配算法

在MU-CoMP-JT(multi-users coordinated multiple-points joint transmission)资源分配算法中,大多数将功率分配与子载波分配分为独立的2个部分进行独立求解,这样势必会降低系统性能,而实际上子载波分配和功率分配是密切相关的.为了有效地提升系统吞吐量,采用了迫零预编码技术,研究了一种在多个小区和多个子信道之间联合优化用户调度与功率分配的资源分配算法,该算法以最大化用户权重速率为目标,基于对偶分解理论,将原优化问题分解为多个独立优化的子问题.仿真结果表明,该算法与最优的穷尽分配算法相比性能有所降低,但有效地降低了复杂度,同时也能获得较好的性能.