Simultaneous wireless information and power transfer with fixed and adaptive modulation

Activating Wireless Power Transfer (WPT) in Radio-Frequency (RF) to provide on-demand energy supply to widely deployed Internet of Everything devices is a key to the next-generation energy self-sustainable 6G network. However, Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) in the same RF bands is challenging. The majority of previous studies compared SWIPT performance to Gaussian signaling with an infinite alphabet, which is impossible to implement in any realistic communication system. In contrast, we study the SWIPT system in a well-known Nakagami-m wireless fading channel using practical modulation techniques with finite alphabet. The attainable rate-energy-reliability tradeoff and the corresponding rationale are revealed for fixed modulation schemes. Furthermore, an adaptive modulation-based transceiver is provided for further expanding the attainable rate-energy-reliability region based on various SWIPT performances of different modulation schemes. The modulation switching thresholds and transmit power allocation at the SWIPT transmitter and the power splitting ratios at the SWIPT receiver are jointly optimized to maximize the attainable spectrum efficiency of wireless information transfer while satisfying the WPT requirement and the instantaneous and average BER constraints. Numerical results demonstrate the SWIPT performance of various fixed modulation schemes in different fading conditions. The advantage of the adaptive modulation-based SWIPT transceiver is validated.

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。

硬件损伤下IRS辅助的SWIPT系统安全波束成形设计

为了提高无线携能通信(Simultaneous Wireless nformation and Power Transfer,SWIPT)通信系统的安全性,同时克服系统收发机硬件损伤(Hardware Impairments,HIs)的影响,提出一种硬件损伤下的智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)辅助的SWIPT系统安全波束成形设计方法.考虑能量接收设备为潜在的窃听者,在基站最大发射功率、最小接收能量和IRS相移约束下,通过联合优化基站波束赋形矢量、人工噪声矢量和IRS的相移矩阵,构建系统安全速率最大化问题.针对该优化问题是非凸的,且优化变量是耦合的,提出一种基于交替优化和半正定松弛的有效算法来次优地解决该问题.仿真结果表明,本文所提算法能够在保障能量需求的同时,提升系统的安全性和抗硬件损伤能力.

有源RIS辅助SWIPT网络公平性资源分配算法

针对有源可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,RIS)辅助的同步无线信息与能量传输(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)系统,提出了一种考虑公平性的能量资源采集分配算法,以解决因乘性衰落导致的公平性能量采集性能较差的问题。在有源RIS辅助的SWIPT系统采用功率切割架构实现信息与能量的同步传输,构建了以所有用户中最小的采集能量最大化为目标函数,用户信干噪比、有源RIS和基站发射功率、功率划分因子等满足需求为约束条件的联合资源分配问题。利用交替优化、半正定松弛、连续凸近似、罚函数等技术将不能直接解决的非凸问题转换成标准凸问题,提出了一种交替迭代的公平性采集能量算法。数值仿真结果表明,所提优化算法能够显著提高用户中能量资源分配最少的用户处采集到的能量值,保障通信网络中能量资源分配的公平性。

基于深度强化学习的SWIPT边缘网络联合优化方法

边缘计算(EC)与无线携能通信(SWIPT)技术能够提升传统网络性能,但同时也增加了系统决策制定的难度和复杂度。而基于最优化方法所设计的系统决策往往具有较高的计算复杂度,无法满足系统的实时性需求。为此,针对EC与SWIPT辅助的无线传感网络(WSN),联合考虑网络中波束成形、计算卸载与功率控制问题,建立了系统能效最优化数学模型;其次,针对该模型的非凸与参数耦合特征,通过设计系统的信息交换过程,提出基于深度强化学习的联合优化方法,该方法无须建立环境模型,采用奖励函数代替Critic网络对动作进行评估,能降低决策制定难度并提升实时性;最后,基于该方法设计了改进的深度确定性策略梯度(IDDPG)算法,并与多种最优化算法和机器学习算法进行仿真对比,验证了联合优化方法在降低计算复杂度、提升决策实时性方面的优势。

基于SWIPT多中继网络物理层安全传输性能研究

针对能量受限多中继网络的物理层安全中断性能问题,提出了基于无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)的多中继网络物理层安全传输方案。该方案在中继节点处采用中继选择策略以及混合功率和时间分割协议来实现网络安全速率最大化。对于提出的网络安全中断性能问题,首先计算出任意链路的安全中断概率闭合表达式,然后利用瑞利衰落信道的独立性和高斯切比雪夫等式,推导出了网络安全中断概率闭合表达式。为了进一步分析理论结果,推导出了在高发射功率下的网络安全中断概率闭合表达式。仿真结果验证了理论分析的正确性。仿真结果表明,增加网络中继节点数量可以显著地降低网络安全中断概率。与功率分割协议和时间切换协议相比,低发射功率下采用混合功率分割和时间转换协议能有效地提高网络安全中断性能。

基于SWIPT混合协议及联合解码的能量效率研究

针对无线通信网络中小区边缘用户通信质量问题,采用传感中继进行协作通信,为解决引入传感中继所引起的能耗问题,提出了基于无线携能通信(SWIPT)混合协议及联合最大比解码(MRC)方式的能量优化方法。将以最大化主用户信号遍历链路能量效率(EE)为目标的分式规划问题,转化为易求解的非分式规划问题;从功率控制、功率/时间分割因子2个角度分析EE;利用Dinkelbach迭代算法优化基站发射功率,并结合遗传算法联合优化功率分配因子和时间分割因子,以实现遍历链路EE最大化。仿真实验结果表明,该方法在无线认知传感中继网络中能够更好地提升能量效率。

协作SWIPT-NOMA系统的物理层安全性研究

针对协作非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)系统中用户充当中继并存在窃听者的场景,提出了一种新型协作干扰传输方案,以提高该系统的安全性。在第一时隙,基站将混合信号进行广播,同时为了干扰窃听者,信道条件较差的用户采用全双工的工作模式,发出协作干扰信号对窃听者进行干扰。在第二时隙,信道条件较好的用户充当中继将己解码的信息转发给信道条件较差的用户,同时信道条件较差的用户继续发出协作干扰信号以干扰窃听者。充当中继的用户由于功耗过大可能会引起该节点供能不足,因此对该节点引入无线携能(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术构成SWIPT-NOMA系统。为了衡量针对SWIPT-NOMA系统所提出的新型传输方案的安全性能,推导了用户的保密中断概率的表达式并仿真验证了该方案的有效性。

具有SWIPT和自能量回收的非分时全双工中继系统

应用无线携能通信(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)技术实现基于无线射频信号的信息与能量传输,提出在基于无线射频网络中采用SWIPT技术的具有自能量回收的非分时全双工中继系统.该系统利用网络中多个可供电无线设备作为能量接入点(energy access point,EAP),能量受限的中继采用功率分配方案,实现信息传输、能量捕获和协作传输在1个时间块中同步进行.以最大化系统吞吐量作为优化目标,采用二次优化、半定松弛和变量消减等方法将原多变量非凸问题转换为半定规划问题,运用拉格朗日方法进行问题求解,通过联合优化中继发射功率、中继发射波束成形向量和功率分配比率,提高系统的性能增益.实验结果表明了所提出系统的吞吐量在解码转发(decode-and-forward,DF)协议下优于在放大转发(amplify-and-forward,AF)协议下;在中继从源节点捕获的能量有限时,通过增加EAP的数量来提高系统捕获的能量能有效提高系统运行速率;验证了与HD-SWIPT(half-duplex with SWIPT)和FD-no-SWIPT(full-duplex without SWIPT)中继系统相比,所提出的系统在提高系统性能方面具有更好的增益.

基于SWIPT的全双工中继协作系统能效研究

为提高无线通信能量效率以实现绿色通信,文中研究基于无线携能传输( Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术的全双工中继协作系统能量效率优化问题,在功率分割协议下,以最大化能量效率为目标对功率分割因子和发射功率进行优化。首先,建立基于SWIPT 的全双工中继协作系统模型,信源节点和目的节点配置单根天线并由电源供电,中继节点配置两根天线并通过SWIPT 技术同时实现信息译码和能量收集。然后,证明能量效率是关于功率分割因子的凸函数,求解出最优功率分割因子以最大化能量效率;同时,研究了通过优化信源发射功率以提高系统能量效率的方案;并进一步提出基于迭代的联合优化算法对功率分割因子和发射功率进行联合优化。最后,通过仿真验证分析了所提优化算法的有效性,如该算法下系统能效与只优化发射功率情形相比,当功率分割因子为0.3 时,能效提升约7.07%;当功率分割因子为0.1时,能效提升约61.34%。

IRS和人工噪声辅助的MIMO-SWIPT系统安全传输方案设计

针对多天线无线携能通信系统中能量收集节点作为潜在窃听者的信息安全问题,提出了一种智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)和人工噪声辅助的物理层安全传输方案。首先考虑发射功率、能量收集门限以及IRS单位模约束,以最大化系统安全速率为优化目标,在合法用户直射链路不可用的情况下,联合设计发射端波束赋形矩阵、人工噪声协方差矩阵以及IRS相移矩阵,建模一非线性多变量耦合的非凸优化问题;接着利用均方误差准则等价转换非凸目标函数,并利用连续凸逼近方法(Successive Convex Approximation,SCA)处理非凸的能量收集约束;最后基于交替优化框架,分别用拉格朗日对偶方法和基于价格机制的优化最小化(Majorization-Minimization,MM)算法求解发射端变量和IRS端变量。仿真结果表明,与现有方案相比,所提算法能够在保障能量收集需求的同时大幅度提升系统的安全性能。

基于黄金分割的NOMA-SWIPT协作中继网络能效优化算法研究

为提升网络能效性能,构建了非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)-无线携能通信(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)协作中继网络模型,并采用了一种基于黄金分割(golden section,GS)的DinkelBach迭代算法来解决能效优化问题。仿真结果表明:GS-DinkelBach算法在获得精准的能效增益的同时,具有更低的计算复杂度;与传统直连网络模型和中继转发网络模型相比,所建立网络模型的最优能效值分别提升了1.07 dB和2.17 dB。

基于SWIPT中继系统的信道容量性能分析

在5G时代,无线携能通信(SWIPT)受到人们的广泛关注。本文在仅接收端知道信道状态信息(CSI)、收发两端均知道CSI两种情况下,分析了SWIPT中继系统的不同定义下的系统容量,设计了源端到目的端,源端到中继再到目的的两条路径的系统模型,将模型与SWIPT技术相结合。首先提出了综合信道条件给出了系统瞬时接收信噪比和不同类型的容量公式。其次对比了接收端已知CSI下的遍历容量和带中断概率的信道容量,通过预设不同的门限值对带中断概率的信道容量进行性能分析。随后,通过调整信道情况进行最大中断容量的门限值分析。最后,使用蒙特卡罗法进行数据仿真,得到遍历容量,注水功控法分配功率下的香农容量,最大中断容量和零中断容量的性能对比。仿真结果表明,在瑞利衰落下,利用SWIPT技术可以提高能量利用率和系统容量。

基于SWIPT无线协作网络的中继选择算法研究

尽管无线协作网络(Wireless Cooperative Network,WCN)显著改善了通信质量和网络吞吐量,但由于中继节点能量限制,造成WCN仍存在网络生命续航和能量补充问题。提出基于携能通信技术的WCN,分析在Nakagami-m信道假设下的多中继节点模型,并研究最优中继节点的选取问题。推导出不同最优中继选择策略下的系统中断概率,并通过蒙特卡洛仿真实验验证其正确性;进一步分析影响系统中断概率的诸多因素。利用前馈神经网络提出基于机器学习的中继选择算法,仿真实验表明:最优中继选择正确率约为93%。

Physical layer security transmission algorithm based on cooperative beamforming in SWIPT system

Physical layer security transmission issue in simultaneous wireless information and power transfer(SWIPT)relay network with multiple eavesdropers is investigated in this paper.A novel cooperative beamforming algorithm is proposed to balance performance of cooperative jamming method and zero-forcing method.Using location prior information of eavesdropper,the proposed method imposes zero-forcing constraints on the capable eavesdropper and cooperative jamming on remaining weak eavesdropper,respectively.Compared with classical cooperative jamming or zero-forcing methods,the proposed method can compromise computational complexity and secrecy rate.Performance of the method is verified by simulation experiments.

Energy efficiency optimization of relay-assisted D2D two-way communications with SWIPT

Aiming at the energy consumption of long-distance device-to-device(D2D) devices for two-way communications in a cellular network,this paper proposes a strategy that combines two-way relay technology(TWRT) and simultaneous wireless information and power transfer(SWIPT) technology to achieve high energy efficiency(EE) communication.The scheme first establishes a fractional programming problem to maximize EE of D2D,and transforms it into a non-fractional optimization problem that can be solved easily.Then the problem is divided into three sub-problems:power control,power splitting ratios optimization,and relay selection.In order to maximize EE of the D2D pair,the Dinkelbach iterative algorithm is used to optimize the transmitted power of two D2D devices simultaneously;the one-dimensional search algorithm is proposed to optimize power splitting ratios;an improved optimal relay selection scheme based on EE is proposed to select relay.Finally,experiments are carried out on the Matlab simulation platform.The simulation results show that the proposed algorithm has faster convergence.Compared with the one-way relay transmission and fixed relay algorithms,the proposed scheme has higher EE.

An Overview of SWIPT Circuits and Systems

From a circuit implementation perspective,this paper presents a brief overview of simultaneous wireless information and power transmission(SWIPT).By using zero-power batteryless wireless sensors,SWIPT mixes wireless power transmission with wireless communications to allow the truly practical implementation of the Internet of Things as well as many other applications.In this paper,technical backgrounds,problem formation,state-of-the-art solutions,circuit implementation examples,and system integrations of SWIPT are presented.

具有无线携能技术的MIMO-NOMA系统

用户干扰降低了毫米波大规模多输入多输出(MIMO)非正交多址接入(NOMA)系统的频谱效率和能量效率,针对这一问题,提出将无线携能技术(SWIPT)引入基于混合预编码(HP)的MIMO-NOMA系统,并设计了用户分组、混合预编码以及功率分配方案。首先,提出了簇头选择算法,以设计模拟预编码,基于等效信道相关性进行用户分组,并最大化等效信道增益设计数字预编码;其次,为追求用户间的公平性,提出一种基于二分的功率分配方案,以实现最小可达速率最大化。理论分析和仿真结果表明,信噪比(SNR)为5dB时,相较于现有的具有无限携能的正交多址方案,所提方案在全连接架构下频谱效率提升约24.8%,在子连接架构下能量效率提升约24.6%。

基于安全能量效率的全双工异构无线携能通信网络波束成形设计

为了解决全双工(Full Duplex,FD)异构无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)网络中的传输安全问题,针对存在多个窃听者的通信场景,提出基于人工噪声(Artificial Noise,AN)辅助的FD异构SWIPT网络安全波束成形设计方案。该方案在满足安全发射功率阈值、最低安全速率以及收集能量等约束条件下,通过联合优化AN、信息信号波束成形矢量以及上行发射功率最大化安全能量效率(Secrecy Energy Efficiency,SEE)。针对安全能量效率优化问题的非凸性,提出一种基于Dinkelbach和连续凸近似的双层优化算法,通过半定松弛技术、泰勒级数展开、连续凸近似法将难以求解的非凸问题转化为凸问题,最后利用MATLAB软件中的凸优化工具箱CVX进行求解。仿真实验验证了波束成形设计方案能够实现安全传输,且对系统能效也有一定程度的提升。

基于5G毫米波协作通信的小单元无线能量信标优化部署策略

为实现第五代移动通信(5G)无线网络中高频谱效率与低能耗的绿色通信目的,本文研究了基于毫米波(mmWave)协作通信小单元下无线能量信标(Power Beacons,PB)的优化部署策略。该策略构建了一个高低频混合组网的能量受限型用户设备(User Equipment Devices,UE)毫米波协作通信的小单元网络模型,通过设计一个“需求-选择-建链”模式的新型建链协议,将通信毫米波定向传输技术应用于该建链过程中。在此模型基础上,以提高边缘系统频谱效率和能量收集覆盖率为目标,通过最小化固定充电的能量信标数量,在实现系统能耗最小化问题基础上保证系统的正常运行。针对该最优化问题是一个混合整数规划的多项式复杂程度的非确定性(Non-deterministic Polynomial Hard,NP-难)问题,设计一个具有常数因子的贪心算法近似求解优化问题。理论分析证明了该算法的可行性。仿真结果表明,本研究提出的优化部署策略能有效优化能量信标部署,在同等覆盖率与区域频谱效率增益下能耗最低。