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STAR-RIS辅助无线供能通信网络的优化

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湖南理工学院学报（自然科学版） 2024年第2期37卷 19-22页

作者：余超李桂林张海洋李涣哲袁婷湖南理工学院信息科学与工程学院湖南岳阳414006

提出一种基于可同时透射和反射的可重构智能表面(STAR-RIS)辅助的无线供能通信网络,其中两个传感器节点组(SNG)利用供电站(PS)的无线能量信号采集能量,并利用所获取的能量将其信息发送至接入点(AP). STAR-RIS部署在两个SNG的中间,为无... 详细信息

提出一种基于可同时透射和反射的可重构智能表面(STAR-RIS)辅助的无线供能通信网络,其中两个传感器节点组(SNG)利用供电站(PS)的无线能量信号采集能量,并利用所获取的能量将其信息发送至接入点(AP). STAR-RIS部署在两个SNG的中间,为无线能量和信息传输提供帮助.通过联合优化STAR-RIS的相移参数和通信资源分配以实现系统吞吐量最大化.由于优化问题的非凸性,采用块坐标下降法对问题进行求解.通过引入辅助变量并利用连续凸逼近和罚函数等方法将原问题转化为凸问题进行求解.实验结果表明,提出的通信方案可以为系统提供更高的性能增益.

关键词： STAR-RIS 无线供能通信网络凸问题

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基于时间反演的无线供能通信网络容量研究

基于时间反演的无线供能通信网络容量研究

作者：刘伟重庆邮电大学

学位级别：硕士

物联网的飞速发展给人类生活带来了质的改变,但随着物联网节点个数的不断增多,设备总能耗急速增加。为了延长网络寿命和保证众多无线设备的正常运行,无线供能网络被广泛研究。无线供能网络利用射频传输能量,可以实现无线设备的能量的自... 详细信息

物联网的飞速发展给人类生活带来了质的改变,但随着物联网节点个数的不断增多,设备总能耗急速增加。为了延长网络寿命和保证众多无线设备的正常运行,无线供能网络被广泛研究。无线供能网络利用射频传输能量,可以实现无线设备的能量的自我持续供应。而无线供能网络中存在着“双远近”效应,会导致系统性能下降。因此,本文针对该问题,在无线供能网络中加入中继节点,同时引入时间反演技术来减轻“双远近”效应,增强目标信号强度,达到减少系统干扰,提升容量的目的。本文具体工作如下:第一,在多终端SDMA的无线供能通信网中,网络中固有的“双远近效应”以及干扰会导致系统性能下降。为了缓解上述问题,提出一种基于时间反演的双跳无线供能通信网络资源分配方案。首先,在网络中加入中继节点,在信息传输阶段引入时间反演技术,构建系统模型。其次,以最大化系统容量为目标规划出一个非凸函数,利用凸优化技术将其转换为凸函数,并提出一种能量波束赋形和时间分配的联合优化算法。最后,通过仿真结果证明,本文所提方案能实现更高的容量。第二,在多终端OFDM的无线供能通信网络中,当终端设备向信息节点传输信息时,存在着严重的干扰。为此,提出了基于时间反演的无线供能通信网络资源分配方案。首先,在传输信息阶段引入时间反演技术,构建系统模型,并且将整个系统运行过程分为能量传输、时间反演探测和信息传输三个阶段。其次,以最大化系统容量为目标,规划出一个非凸问题,利用凸优化技术转换为拟凸问题,并提出一种子载波、时间和功率分配的联合优化算法。最后,通过仿真结果证明,相较于其他方案,本文所提方案能实现更高容量。

关键词：无线供能通信网络时间反演双远近干扰

反向散射辅助的无线供能通信网络中用户能效公平性研究

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通信学报 2020年第7期41卷 84-94页

作者：叶迎晖施丽琴卢光跃西安邮电大学陕西省信息通信网络及安全重点实验室陕西西安710121

针对反向散射辅助的无线供能通信网络中由于信道质量差异导致的用户能效不公平问题,提出了一种基于最大最小准则的资源分配方法。首先,考虑用户服务质量与能量因果约束,并以最大最小化用户能效为目标,将优化问题建模为混合整数非凸分式... 详细信息

针对反向散射辅助的无线供能通信网络中由于信道质量差异导致的用户能效不公平问题,提出了一种基于最大最小准则的资源分配方法。首先,考虑用户服务质量与能量因果约束,并以最大最小化用户能效为目标,将优化问题建模为混合整数非凸分式规划问题。其次,利用广义分式规划理论将其转化为一个混合整数非凸减式优化问题,并通过引入松弛变量、反证法和辅助变量将非凸减式问题进一步转化为一个等价的凸问题。最后,提出一种迭代算法来获取原优化问题的最优解。实验仿真验证了所提迭代算法的快速收敛性,并证明了所提资源分配方法能够有效地保障用户能效公平性。

关键词：反向散射无线供能通信网络用户能效公平性

无线供能通信网络中的多维资源联合优化方法研究

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无线供能通信网络中的多维资源联合优化方法研究

作者：王立南京邮电大学

学位级别：硕士

随着二十一世纪科技的快速发展,无线通信技术和物联网技术得到了长足的进步。随之而来的是网络中设备及终端数量的激增,造成了网络中的巨大能量缺口,对通信运营商和用户都带来了困扰。在当下的通信网络环境下,若采用电池供电的方式满足... 详细信息

随着二十一世纪科技的快速发展,无线通信技术和物联网技术得到了长足的进步。随之而来的是网络中设备及终端数量的激增,造成了网络中的巨大能量缺口,对通信运营商和用户都带来了困扰。在当下的通信网络环境下,若采用电池供电的方式满足无线通信网络中大规模的低功耗物联网设备及终端对网络中能量资源的需求,会带来大量维护和人力成本。此时,无线供能技术是一种应对此问题的重要解决策略,其通过射频能量采集为无线终端设备提供能量。具体来说,射频能量采集技术可利用电磁波的远场辐射特性,将采集到的射频信号能量转化为电能以驱动无线设备,拥有信号收集范围广、距离长、功率小、提供的能量稳定且连续的特点,适用于能耗低、分布广的移动终端网络。本文针对无线供能通信网络中的资源分配问题进行了研究,主要包括三个方面的内容:首先,提出了一种无线供能通信网络中联合天线选择和资源分配方法。考虑了一个多载波无线供能通信网络,其含有一个混合接入点和多个无线供能用户。假设用户使用了自能量回收技术,在混合接入点发射功率约束和用户的能量因果约束下,以最大化用户总速率为目标,提出了联合天线选择、上行链路和下行链路子载波分配和功率分配、以及时间分配的算法。仿真结果表明该方法相比参考方法显著提高了用户总速率。其次,提出了一种高能效认知无线供能通信网络联合信道和功率分配方法。考虑了一个认知无线供能通信网络,其含有一个认知基站和多个无线供能用户且与同一个主用户共享频谱。在认知基站的发射功率约束和主用户干扰约束下,以最大化认知无线供能通信网络的能量效率为目标。提出了基于Dinkelbach方法和凸优化方法的联合信道和功率分配方法。仿真结果表明该方法相比参考算法显著提高了网络的能量效率。最后,提出了一种基于定价的合作认知无线供能通信网络能量资源分配方法。考虑了一个多载波协作认知无线供能通信网络,其含有一个认知基站和多个次用户,共享一个无线供能主用户的频谱。在假设主用户可采集次用户信号能量的前提下,将主用户和次用户的交互建模成了Stackelberg博弈,提出了达到Stackelberg均衡的次用户功率分配和信道分配、时间分配的优化算法。仿真结果表明该方法相比参考算法,在有效提升主用户效用的同时,更好地为次用户提供通信机会。

关键词：无线供能通信网络资源分配能量效率射频能量收集

基于无人机的无线供能通信网络中路径规划和资源分配研究

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基于无人机的无线供能通信网络中路径规划和资源分配研究

作者：蔡兴鹏电子科技大学

学位级别：硕士

随着大规模物联网应用的发展,以往的通信技术已无法兼具满足系统设备的通信,传能及成本等要求。无线供能通信网络（Wireless Powered Communication Network,WPCN）和反向散射通信系统（Backscatter Communication System,BCS）技术作... 详细信息

随着大规模物联网应用的发展,以往的通信技术已无法兼具满足系统设备的通信,传能及成本等要求。无线供能通信网络（Wireless Powered Communication Network,WPCN）和反向散射通信系统（Backscatter Communication System,BCS）技术作为近年来的新技术理论,将传统的无线能量传输和无线信息传输结合起来用以解决上述问题。此外,由于无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）能够灵活部署且成本低,还能够通过其移动的特性获得更可靠的视距（Line-of-Sight,LoS）传输通道,UAV辅助的无线通信也引起了学者们的研究兴趣。在这样的背景下,本文研究了基于无人机的无线供能通信网络中路径规划和资源分配方案,主要包括以下内容:本文提出了基于无人机的保密散射通信系统,无人机既用作射频信号源,又用作信息收集器。无电池反向散射设备（Backscatter Device,BD）利用无人机发射的载波信号在存在多个窃听器的情况下将自己的信息上传到无人机。通过联合设计无人机的飞行轨迹,BD的时隙调度因子及其反向散射系数,最大程度地提高了BD的上行链路公平保密速率,并且本系统还同时考虑了设备的能量需求,满足了无电池BD的能量收集要求,以及无人机的各种飞行限制。本文提出了一种低复杂度算法解决该非凸优化问题。通过仿真结果表明,本文设计的无人机辅助的保密反向散射通信网络对比其他几种基准方案设计能够显著提高性能并且能够保证信息通信的安全性。本文提出基于无人机的多功能通信系统。无人机以其灵活特性作为信号源为地面设备提供载波信号,该系统整合了BSC被动反射和WPCN主动传输两种通信方式以实现多功能通信的需求,同时分别考虑了固定高度下LoS信道与可变高度下LoS/NLoS信道两种信道模型,通过联合设计无人机的飞行轨迹,系统时隙资源以最大程度地提高地面设备的公平速率,并且本系统还同时考虑了无人机的各种飞行限制。本文基于块坐标下降算法将原问题分割为几个子问题并分别进行处理,最后通过联合迭代以求得近似解。仿真结果验证了该系统的有效性。

关键词：无线供能通信网络反向散射通信无人机安全通信

面向无线供能通信网络的图形化和数学化资源分配策略

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面向无线供能通信网络的图形化和数学化资源分配策略

作者：闫志鹏哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着5G通信技术的发展和应用,物联网也得到了快速的发展,接入物联网的设备规模不断增大,其中又以无线传感器网络为代表。这些无线传感器节点具有成本较低、数量巨大、体积较小、功耗较低、传输距离较短等特点。因此,无线传感器网络在工... 详细信息

随着5G通信技术的发展和应用,物联网也得到了快速的发展,接入物联网的设备规模不断增大,其中又以无线传感器网络为代表。这些无线传感器节点具有成本较低、数量巨大、体积较小、功耗较低、传输距离较短等特点。因此,无线传感器网络在工农业、国防、医疗健康等领域有着广泛应用。在农业领域中,无线传感器能够实时监测环境温湿度、土壤湿度、光照强度等数据。在工业生产中,无线传感器能够监测化工园区的有毒有害气体的泄漏,监测建筑路桥的结构强度。在国防领域,无线传感器将收集到的战场信息传输至后方指挥中心,实时感知战场态势。在医疗健康领域,传感器可以被放置于体表和体内的不同部位,监测血压、心电、血糖等生理指标,为医生提供诊疗依据,也就是无线体域网。这些传感器的体积微小,数量众多,难以通过有线连接的方式一一接入电网。另外,当使用电池供电时,大量且频繁的电池更换操作是不便利的;当传感器位于有毒有害区域或人体内,难以更换电池。因此,保证这些无线通信设备的电力供应成为了一个亟待解决的问题。从环境中收集能量是一种解决无线设备能量供应的有效方案。能量收集技术是指传感器利用能量转化装置,将环境中的风能、振动、太阳能、地热能、射频信号等其他形式的能量转化为电能,实现对传感器的充电。与接入电网和更换电池的方式相比,能量收集技术具有成本低、部署便利、可持续性高等优势,符合绿色通信的趋势。与风能、太阳能等波动性较大的能源相比,射频能量收集具有更高的稳定性和可控性。射频能量收集有多种实现方案,最常见的是无线供能通信网络(Wireless Powered Communication Network,WPCN)。WPCN由一个混合接入点和多个用户节点组成,混合接入点既作为用户节点的射频能量源,又是用户节点发送信息的目的地。由于“双重路径损耗”加剧了射频信号的传输衰减,研究WPCN的资源分配策略以提高其吞吐量和能量效率,对于提升系统整体传输性能有重要意义。本文首先分析了不同射频能量传输模型的特点,并总结了无线供能通信网络的研究现状及存在的问题,提出了针对WPCN的图形化资源分配算法,以及针对中继协作WPCN的数学化资源分配算法。在WPCN系统中,由于现有的算法复杂度较高,本文以总吞吐量最大化为优化目标,提出了基于“能量隧道”的图形化功率调整策略,其计算复杂度显著地低于内点法等算法;并与交替优化算法整合,实现了时间和功率的联合分配。进一步地,在传统WPCN系统中引入协作中继节点以解决“双重路径损耗”,系统采用了三阶段的单周期的传输模式,因此图形化功率调整策略不适用于此场景。以能量利用效率最大化为优化目标,基于丁克尔巴赫算法为基础,本文提出了联合优化时间和功率的数学化算法。另外,以吞吐量最大化为目标,我们提出了一种基于一维线性搜索的资源分配策略,分析了WPCN中引入中继节点对网络性能的影响。针对基于图形化的多周期功率调整策略,本文研究了由一个混合接入点和若干个不同距离处的用户节点组成的WPCN系统。该WPCN采用多周期传输方式,每个周期采用“收集-再传输”协议,即每个周期分为能量收集阶段和信息传输阶段;用户节点首先将从混合接入点接收到的射频信号转化为电能,然后通过射频信号将收集的数据发送给混合接入点。与此同时,用户节点配备有限容量的电池来存储收集的电能,以便调度不同周期内的电能。此外,用户节点的能量收集和使用必须遵循能量中性操作原则,即节点在任意时刻内累计消耗的能量不得超过其迄今累计收集的能量。由于功率调整只发生在信息传输阶段,可将每个周期的信息传输阶段抽取出来,组成一个虚拟时间队列,并认为能量收集在此序列每阶段的起始时刻瞬间完成。由于混合接入点在传输开始前就已知每个周期内的信道状态信息和能量收集持续时间,故可确定一条阶梯型的能量收集曲线。根据能量中性操作原则,节点的能量消耗曲线必须位于该阶梯型曲线的下方,否则将导致能量提前耗竭。另一方面,由于电池的容量有限,用户节点在任意时刻累计未使用的能量,即能量收集曲线高度和能量消耗曲线高度的差值,不能超过电池容量,否则会发生能量溢出。因此能量收集曲线和电池容量唯一地确定了“能量隧道”,分别对应隧道的上界和下界,能量消耗曲线只能在能量隧道内进行调整。WPCN多周期功率调整策略,应遵循如下的三条引理。在两次收集能量到来之间的时间内,当用户节点消耗同样多的能量时,只有恒定的传输速率才能实现最大的吞吐量;为了实现最优的功率调整,只有在能量到来的时刻,并且该时刻电池充满,用户节点才会增大发射功率;类似地,只有该时刻电池耗尽,用户节点才会减小发射功率;当所有周期传输结束时,用户节点应恰好耗尽累计收集的能量。在具体的图形化功率调整策略中,以能量隧道的下界左端点为起点,以能量隧道的上界右端点为终点,连接两点得到的直线即为初始的能量消耗曲线。在某些能量到来时刻,该直

关键词：无线供能通信网络中继协作资源分配图形化算法总吞吐量最大化能量效率最大化

反向散射辅助的无线供能通信网络的节点间通信

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电信科学 2021年第6期37卷 115-124页

作者：陶杰葛海江吴旻媛邵奇可池凯凯浙江省机电设计研究院有限公司浙江杭州310051 杭州职业技术学院信息工程学院浙江杭州310018 浙江工业大学计算机科学与技术学院浙江杭州310023

目前几乎没有无线供能通信网络节点间的信息传输方案设计,研究了反向散射辅助无线供能通信网络节点间的高传输速率信息传输,节点有储能容量且可工作于反向散射通信和主动通信。提出了由节点反向散射/能量传输阶段和节点主动通信阶段构... 详细信息

目前几乎没有无线供能通信网络节点间的信息传输方案设计,研究了反向散射辅助无线供能通信网络节点间的高传输速率信息传输,节点有储能容量且可工作于反向散射通信和主动通信。提出了由节点反向散射/能量传输阶段和节点主动通信阶段构成的方案,并将总传输速率最大化建模为凸优化问题。然后基于反向散射总时长与节点能量捕获时长阈值的关系,将该问题分解为多个仅需优化两个反向散射时长的子问题,并设计高效的两层黄金分割搜索算法求解子问题,从子问题最优解得到原问题最优解。仿真结果表明,与纯主动通信方案和纯反向散射通信方案相比,所提出的方案能有效地提高传输速率。

关键词：无线供能通信网络节点间通信反向散射通信传输速率最大化

后向散射辅助无线供能网络中的节点间高吞吐量通信方案

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传感技术学报 2020年第12期33卷 1787-1794页

作者：毛科技吴旻媛黄亮张书彬池凯凯浙江工业大学计算机科学与技术学院浙江杭州310023

本文研究后向散射辅助无线供能网络中两个边缘节点到一个中继节点的信息传输,节点可工作于后向散射模式和主动通信模式。引入后向散射该辅助功能有助于节点吞吐量提高,但也使通信方案设计更加复杂。提出了由节点后向散射/能量传输阶段... 详细信息

本文研究后向散射辅助无线供能网络中两个边缘节点到一个中继节点的信息传输,节点可工作于后向散射模式和主动通信模式。引入后向散射该辅助功能有助于节点吞吐量提高,但也使通信方案设计更加复杂。提出了由节点后向散射/能量传输阶段和节点主动通信阶段构成的方案。接着,将最大化总吞吐量问题建模为非线性优化问题,并证明其凸特性。最后,基于后向散射时长与节点能量捕获时长阈值的关系,将该问题分解为多个仅需优化后向散射时长的子问题,并设计高效的两层黄金分割搜索算法来求解子问题。基于子问题的最优解来得到原问题的最优解。仿真结果表明,与纯主动通信方案和纯后向散射通信方案比,所提出的方案能有效地提高吞吐量。

关键词：无线供能通信网络后向散射通信凸优化节点间通信吞吐量

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无线供能网络中的节点间高吞吐量通信方案

传感技术学报 2020年第4期33卷 564-570页

作者：毛科技吴旻媛池凯凯浙江工业大学计算机科学与技术学院杭州310023

目前针对无线供能通信网络的研究主要考虑节点发送数据到网关的场景,很少考虑节点间通信的场景。本文研究邻近节点对之间的高吞吐量通信问题,通过最优化能量供给时长与数据发送时长来达到较优的吞吐量。具体来说,研究节点对的总吞吐量... 详细信息

目前针对无线供能通信网络的研究主要考虑节点发送数据到网关的场景,很少考虑节点间通信的场景。本文研究邻近节点对之间的高吞吐量通信问题,通过最优化能量供给时长与数据发送时长来达到较优的吞吐量。具体来说,研究节点对的总吞吐量最大化问题,首先将其建模为非线性优化问题,接着证明其凸特性,最后设计了一个结合黄金分割搜索和二分搜索的高效算法来获得最佳时间分配。另外,研究较差节点吞吐量最大化问题,同样证明其凸特性并且设计一个基于黄金分割搜索的高效算法来获得最佳时间分配。仿真结果表明,最大化较差节点吞吐量要比最大化总吞吐量更具公平性,但以降低总吞吐量为代价。

关键词：无线供能通信网络节点间通信凸优化吞吐量最大化