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。

基于磁谐振的无线信息和能量传输系统波束赋形策略

针对同步无线信息和能量传输系统,研究磁谐振波束赋形问题。考虑多个发射机、一个目标功率接收机、一个非目标功率接收机和一个目标信息接收机场景,通过引入一个传输控制器,可以使用相同的传输信号来传输信息和能量。将波束赋形问题建模成最优化问题,优化目标是最大化目标功率接收机功率,同时满足发射机功率、非目标功率接收机功率和目标信息接收机频谱效率的约束条件。采用半定松弛和高斯随机化相结合的方法,得到近似解。仿真结果表明,与等电流方案相比,本文提出的优化策略在目标功率接收机的预期功率和系统效率两方面都有一定程度上的提升。

基于信息能量同传的异构小蜂窝网络能效优化

研究无线信息和能量协同传输(SWIPT)异构小蜂窝网络的能效优化问题。在保证小蜂窝用户和宏用户通信质量、小蜂窝用户能量采集和小蜂窝基站传输功率等约束下,为实现小蜂窝系统下行能效的最大化,对小蜂窝基站发射功率和小蜂窝用户端功率分流系数进行联合优化。该问题属于非凸优化问题,通过变量替换对原问题进行等价转换,然后采用基于拉格朗日乘子的次梯度算法求解。计算机仿真结果表明,该联合优化算法简单有效。

泛能网——信息与能量耦合的能源互联网

伴随着世界能源危机及环境保护等问题,世界各国正在积极探索未来能源发展的新出路。近年来美国著名经济学家杰里米·里夫金的第三次工业革命和能源互联网的提法引起了广泛关注。基于此发展趋势,各国纷纷提出了自己的互联网驱动工业技术进步发展策略:美国的第三次工业革命和工业互联网,德国的工业4.0,中国的坚强智能电网,"互联网+"。泛能网以系统能效理论为基础,形成能源网、物联网和互联网构成的三层立体网络,利用信息与能量的耦合和协同,因地制宜,充分发挥多品位能源的潜力,解决可再生能源融合带来的稳定性问题、供能用能一体化带来的动态匹配问题,并实现了基于信息与能量耦合的协同优化控制,成为一种具有代表性的新型能源互联网。

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.

基于信息中继节点的能量和信息同传模型及协议

建立基于自身节点作为中继的信息和能量同时传输模型,中继节点既可以发送自身采集的信息到源节点,又可作为中继节点帮助源节点与目的节点进行能量和信息的传输。采用能量分割(Power Splitting, PS)协议,中继对信号采用解码转发方案,运用非线性规划算法对该模型和协议进行优化并得到最优解。仿真结果表明,该最优解可使模型的吞吐量最大,靠近目节点位置为最优中继节点位置。

无线充电传感器网络能量效率优化研究

针对传统无线充电传感器网络中无线能量传输效率较低的问题,提出了一种基于SWIPT技术的协作传输协议(简称CTS),利用无线信息和能量的协作传输来提高无线能量传输的效率。在此基础上,设计了一个以最大化网络效用为目的的资源分配策略优化问题,并提出RAPOA算法来求解问题。仿真实验表明,CTS最大化了网络效用,提高了无线充电传感器网络的能量传输效率。

能量收集全双工中继系统中的安全波束成形研究

针对节点具有能量收集能力的全双工中继窃听信道保密速率的优化问题,提出了一种基于信息和能量联合传输的人工噪声辅助的安全波束成形方法。该方法在满足节点传输功率和中继节点收集能量等约束条件下,通过联合优化波束成形矩阵、人工噪声协方差矩阵和功率分配因子等参数实现系统安全速率最大化(Secrecy Rate Maximization,SRM)。由于SRM问题是一个非凸的优化问题,为了有效解决该问题,文中采用分步优化方法将原始问题转化成两个子问题。首先,设计一种双层优化算法来优化波束成形矩阵和人工噪声协方差矩阵,其中,外层优化问题使用一维搜索方法解决,内层优化问题使用半定松弛技术解决;然后,固定波束成形矩阵和人工噪声协方差矩阵,再次使用一维搜索方法求解功率分配因子。理论推导证明了内层优化问题总是存在秩为1的最优解,即使用的松弛技术是紧的。仿真结果表明,所提方法能将系统安全性能提升2~3倍。

基于非线性能量收集的DF中继网络性能分析

研究基于非线性能量收集的单向解码转发多中继的能量受限网络问题。对于传统的单中继网络,结合信息和能量同传(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)技术,提出一种基于粒子群算法的功率分离策略。由于单中继网络传输的局限性,进一步设计非线性多中继的系统模型,该系统模型使用非对称功率分离策略,把提高系统中断吞吐量作为优化目标,将该系统模型方案与基于线性的同级比较方案进行比较。仿真结果验证了设计算法的有效性,表明时间切换因子、传输速率等因素对系统中断吞吐性能存在影响。

基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化算法

随着无线通信技术的快速发展,无线接入设备日益增多,但系统能耗也在不断增长。具备无线携能通信能力的正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)系统可以有效提高系统能量效率。本文针对以系统能效为优化目标的资源分配问题,提出了基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化算法。该算法采用椭球法对拉格朗日乘子进行更新,可以有效加快算法收敛速度,提升算法性能。仿真实验结果表明,所提出基于椭球法的能效优化算法能有效解决以系统能效为优化目标的资源分配问题,与次梯度法相比,椭球法的收敛速度更快,能够显著地降低算法复杂度。

全双工能量受限中继网络的安全波束成形设计

为了解决全双工能量受限中继网络的无线物理层安全问题,提出了一种基于能量和信息联合传输的安全波束成形方法.在满足中继节点和能量收集节点收集能量的约束条件下,通过联合优化能量信号协方差矩阵、波束成形矩阵和功率分配因子,实现了系统安全速率最大化.目标问题是非凸的,采用分步优化方法将原始问题转化为2个子问题.将第1个子问题转化为双层优化问题,外层优化问题采用一维搜索求解,内层优化问题采用半定松弛技术解决;然后通过一维搜索得到第2个子问题的最优解.仿真结果表明,提出的方法显著提高了系统的安全速率.

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%.

全维度多天线下SWIPT系统的安全速率分析

针对在多用户下行链路传输网络中,现有研究均是在二维信道中分析SWIPT系统的安全速率,忽略了垂直维度对物理层安全的影响这一问题,在全维度大规模平面天线阵列场景下,假设统计信道状态信息存在多个窃听用户,利用使每个用户遍历传输速率最大化而获取的最优3D波束成型方案,推导出收集能量约束条件下的系统安全传输速率.采用拉格朗日松弛优化算法联合优化发射功率和功率分流比,得到最大化系统安全速率的最优解.仿真结果表明：采用3D波束成型传输方案能够提高系统的安全性,对实际系统具有指导意义.