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基于最小化误码率的wpcn水声通信系统资源分配方法

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基于最小化误码率的WPCN水声通信系统资源分配方法

作者：张宇航华南理工大学

学位级别：硕士

水声通信技术广泛应用于军、民、商用领域,对其相关技术的研究对开发海洋资源、促进海洋经济发展具有非常重要的意义。由于海洋及水下环境的特殊性,水声通信技术的应用和发展一直面临着巨大的挑战,而水声通信网络能量受限问题是一个主... 详细信息

水声通信技术广泛应用于军、民、商用领域,对其相关技术的研究对开发海洋资源、促进海洋经济发展具有非常重要的意义。由于海洋及水下环境的特殊性,水声通信技术的应用和发展一直面临着巨大的挑战,而水声通信网络能量受限问题是一个主要方面。为解决水声通信网络的生命周期受限于节点的电池能量、水声节点电池或节点本身的更换代价高昂等问题,发展合适的水下无线能量传输与资源分配技术成为水下研究不可或缺的一部分。无线供能通信网络(Wireless Powered Communication Network,wpcn)是一种近年来提出的新颖的无线能量传输技术。本文针对基于正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)的wpcn水声通信系统,推导了误码率、中断概率的精确表达式,分析了信道和系统参数对性能的影响;在此基础上,提出了基于误码率最小化的wpcn水声通信系统资源分配方法,以在保证通信质量的前提下,进一步降低系统能耗。论文主要工作如下:(1)针对点对点wpcn通信系统,研究其误码率性能并推导了系统误码率和中断概率的精确表达式,分析了各种参数如传输距离、信噪比、时隙分配因子等对系统性能的影响;进一步地,将wpcn技术和水声通信相结合,研究非白高斯环境下,点对点wpcn水声通信系统的误码率性能和中断概率,并分析通信频率等系统参数对wpcn水声通信系统误码率和中断概率的影响,蒙特卡罗(Monte Carlo Method)仿真实验验证了所推导的误码率和中断概率表达式的准确性,为提出wpcn水声通信系统资源分配方法奠定了理论基础。(2)针对含有多个发射换能器(天线)的点对点wpcn水声通信系统,提出一种基于平均误码率最小化的资源分配方法,并建模为对基站能量波束成形向量和时隙分配因子进行联合优化的问题。由于目标函数中存在优化变量的耦合问题,并且约束集为非凸集,该问题属于非凸优化问题。本文将其拆分为两个子问题,采用交替迭代优化方法求解,得到最优波束成形矩阵和最优时隙分配因子,实现误码率的最小化。所提出的方法在保证通信质量的前提下,减少了水声通信系统能量消耗,可进一步延长设备电池的使用寿命。仿真实验验证了所提出的资源分配方法的可行性与有效性。

关键词：水声通信 wpcn OFDM 资源分配误码率波束成形中断概率

Spectrum Efficiency Maximization for Cooperative Power Beacon-Enabled Wireless Powered Communication Networks

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China Communications 2021年第12期18卷 230-251页

作者： Wenjun Xu Wei Chen Yongjian Fan Zhi Zhang Xinxin Shi Key Lab of Universal Wireless Communications Ministry of EducationBeijing University of Posts and TelecommunicationsBeijing 100876China Hebei Key Laboratory of Security and Protection Information Sensing and Processing Hebei University of EngineeringHandan 056038China State Key Laboratory of Networking and Switching Technology Beijing University of Posts and TelecommunicationsBeijing 100876China Beijing Telecom Planning&Designing Institute Co. Ltd.Beijing 100048China

We consider a spectrum efficiency(SE)maximization problem for cooperative power beacon-enabled wireless powered communication networks(CPB-wpcns),where each transmitter harvests en-ergy from multi-antenna power beacons(PBs)and transmits data to the corresponding *** data transmission,both orthogonal transmission,i.e.,the time splitting(TS)mode,and non-orthogonal trans-mission,i.e.,the interference channel(IC)mode,are *** to improve the system SE,the energy beamformers of PBs,the transmit power,and the transmit time duration of transmitters are jointly *** the TS mode,the original non-convex problem is transformed into a convex opti-mization problem by means of variable substitution and semidefinite relaxation(SDR).The rank-one na-ture of this SDR is proved,and then a Lagrange-dual based fast algorithm is proposed to obtain the opti-mal solution with much lower *** the IC mode,to conquer the strong non-convexity of the problem,a branch-reduce-and-bound(BRB)mono-tonic optimization algorithm is designed as a ***,a low-complexity distributed suc-cessive convex approximation(SCA)algorithm is ***,simulation results validate the perfor-mance of the proposed algorithms,achieving optimal-ity within only 1%∼2%computation time compared to the CVX solver in the TS mode and achieving 98%of the optimal performance in the IC mode.

关键词： spectrum efficiency power beacon wpcn time splitting interference channel wireless power transfer

基于时间反演的无线供电通信系统抗干扰与时间分配研究

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基于时间反演的无线供电通信系统抗干扰与时间分配研究

作者：吴玥重庆邮电大学

学位级别：硕士

无线通信的飞速发展以及接入网络终端数的飞速增长,使得未来无线通信系统中将大量存在以传感器节点为代表的物联网设备,如何为这些泛在设备提供稳定持续的电力供应是物联网急待解决的问题。无线供电通信网络以无线能量传输技术为核心,... 详细信息

无线通信的飞速发展以及接入网络终端数的飞速增长,使得未来无线通信系统中将大量存在以传感器节点为代表的物联网设备,如何为这些泛在设备提供稳定持续的电力供应是物联网急待解决的问题。无线供电通信网络以无线能量传输技术为核心,能够有效解决传统电池无法在无线网络中连续供电的问题。但是当无线供电通信网络覆盖范围扩大、结构复杂化时,会有不可避免的干扰影响系统的性能。而时间反演技术因其独特的空时聚焦特性,可以有效增强目标信号强度以达到抑制系统内干扰的目的。因此本文将无线供电通信网络和时间反演技术相结合,以优化系统性能为目标,提出了两种资源分配方法在抑制干扰的同时提升系统性能。具体研究内容如下:第一,在多用户无线供电通信网中,当用户同时上行传输信息时会产生用户间干扰,为了解决该问题,构建了基于时间反演的干扰解决方案并且利用时间反演的“隧道效应”增大系统上行吞吐量。首先将时间反演技术引入多用户无线供电通信网络系统,利用其空时聚焦性抑制干扰。在此基础上,理论推导该方案的系统信干噪比以及系统容量表达式,并以最大化系统吞吐量为目标,设置优化目标函数。最后,通过逐次优化变量将非凸函数进行凸优化转换,结合二分法,求出时间分配的最优解。通过蒙特卡罗仿真证明了所提时间反演无线供电通信网络(Time Reversal-Wireless Powered Communication Networks,TR-wpcn)系统的时间分配方案能够有效提升系统吞吐量。第二,在实际情况中,每个小区无线供电通信网络系统的情况是不一样的,上行传输可能是不同步的,因此小区间会产生交叉耦合干扰。针对异步多用户无线供电通信网络系统中存在的交叉耦合干扰,提出了一种基于时间反演技术联合优化上、下行时间及功率分配的方案,以最大化上行加权和速率。首先利用时间反演特有的空时聚焦性抑制交叉耦合干扰,然后建立优化模型,将难以求解的加权和速率问题转化为最小均方误差问题,最后通过分级逐次优化变量,分别求出功率和时间的最优解。仿真验证了在引入时间反演技术抑制系统的交叉耦合干扰后,系统的平均加权和速率明显提升。

关键词： wpcn 干扰抑制时间反演资源分配

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面向抑制相位抵消效应的无源节点部署研究

面向抑制相位抵消效应的无源节点部署研究

作者：王强四川师范大学

学位级别：硕士

近年来,随着无线能量传输技术的发展,无源传感网络,亦称为无线供能通信网络(Wireless Powered Communication Networks,wpcn),被认为是下一代物联网中发展的重要技术之一。相比于传统传感器网络,wpcn中的无源节点能够从环境中采集能量,... 详细信息

近年来,随着无线能量传输技术的发展,无源传感网络,亦称为无线供能通信网络(Wireless Powered Communication Networks,wpcn),被认为是下一代物联网中发展的重要技术之一。相比于传统传感器网络,wpcn中的无源节点能够从环境中采集能量,使感知、计算和通信彻底摆脱了对电池的依赖,显著降低了网络维护成本。作为物联网发展的最新成果和热点技术,wpcn已经在建筑质量监控、食品安全溯源和人体健康监测等领域受到了广泛的关注。然而,wpcn中特有的相位抵消效应会使节点间无法正常通信,进而导致wpcn的连通性和可靠性面临严重挑战。本文对相位抵消效应展开了深入研究,主要内容包括:首先,本文探究了相位抵消效应出现的根本原因,构建了一个面向抑制相位抵消效应的无源节点间通信模型。在wpcn中,无源节点通常采用反向散射通信,随着反向散射信号与环境射频信号在接收节点处的矢量叠加,接收节点可能会因信号的相位抵消效应而无法对发送节点的反向散射信号进行有效解析,节点间通信将会失败。本文通过理论分析和实验验证发现,节点间的连通性与节点所处位置密切相关,如果没有事先对网络的拓扑结构进行合理的规划,从发送节点发出的信号就可能无法传输到接收节点。本文基于弗里斯自由空间传播公式和信号的矢量叠加原理,构建了一个面向抑制相位抵消效应的无源传感网络通信模型,并以该模型为依据,找到了节点部署过程中需要尽力规避的通信盲区。其次,本文设计了一组两阶段的面向抑制相位抵消效应的无源节点部署方法。为了保证wpcn的连通性和可靠性,本文在部署过程中引入了汇聚节点和中继节点。其中,汇聚节点负责对网络中节点的信息进行收集和转发,中继节点负责连通整个网络。第一阶段,为了有效减少汇聚节点的数量,降低部署成本,本文设计了一种基于贪心思想的汇聚节点部署算法,使得能用尽可能少的汇聚节点为网络中所有节点提供数据传输服务。第二阶段,本文设计了一种基于最小权重树的中继节点部署算法。该算法既能使wpcn中各个节点完全连通,又能保证中继节点的数量最小。最后,本文通过大量的仿真实验来对所提出的部署方法的性能进行评估。实验结果表明,在最小化部署汇聚节点和中继节点数量的方面,本文所提出的算法的性能优于比较算法7倍。进一步地,本文在稀疏、一般和密集三种实验场景下情况下对提出的算法进行了验证。具体而言,本文的方法平均只需要部署11.7个汇聚节点和6.5个中继节点就可以使得稀疏网络双向连通,平均只需要部署15.8个汇聚节点和7.1个中继节点就可以使得一般网络双向连通,平均只需要部署17.6个汇聚节点和8.3个中继节点就可以使得密集网络双向连通。

关键词：反向散射相位抵消 wpcn 节点部署

STAR-RIS辅助无线供能通信系统的联合波束赋形优化研究

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STAR-RIS辅助无线供能通信系统的联合波束赋形优化研究

作者：李易轩湖南理工学院

学位级别：硕士

随着无线通信技术的快速发展,越来越多的无线设备被部署到人们生活中的各个角落。为了实现未来6G时代的可持续绿色通信理念,无线供能通信系统的概念应运而生。借助于无线供电和能量采集技术,无线设备可以实现自我可持续的工作状态。考... 详细信息

随着无线通信技术的快速发展,越来越多的无线设备被部署到人们生活中的各个角落。为了实现未来6G时代的可持续绿色通信理念,无线供能通信系统的概念应运而生。借助于无线供电和能量采集技术,无线设备可以实现自我可持续的工作状态。考虑到无线供电时能量损耗较大的影响,有学者将可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)引入到系统中,借助于RIS可重构无线信道的优势来提升系统的能量和信息的传输效率。然而,RIS仅能对入射信号进行反射处理,这导致基站和无线设备必须位于RIS的同侧,限制了RIS和无线设备的部署灵活性。同时透射和反射的可重构智能表面(Simultaneously Transmitting and Reflecting Reconfigurable Intelligent Surface,STAR-RIS)有效地解决了传统RIS部署受限这一问题,其可以将入射信号同时进行透射和反射的操作,为通信场景提供360度的信号覆盖。本文将STAR-RIS引入无线供能通信系统中,并选择了无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)和无线供能通信网络(Wireless Powered Communication Network,wpcn)两种具有代表性的无线供能通信系统进行研究,旨在最大化无线供能通信系统的性能增益。主要研究内容如下:(1)STAR-RIS辅助SWIPT系统的能量采集最大化研究。在该系统中,STAR-RIS辅助多天线基站同时为地面设备提供无线供电和通信的服务。为了给系统提供一套最优的设计方案,搭建了最大化能量采集的优化问题,并通过联合设计多天线基站的有源波束赋形和STAR-RIS的无源波束赋形来实现无线设备能量采集最大化的目标。针对于优化问题中的非凸问题,首先利用公式推导和理论证明的方式来简化该问题;然后将简化后的优化问题拆分为两个易于求解的子问题,并利用变量替换、半定松弛和高斯随机等技术解决子问题中的非凸部分;最后提出了一种基于块坐标下降的联合优化算法,联合优化多天线基站的发射信号预编码矩阵和STAR-RIS的透射和反射系数,最终求解出优化问题的高精度次优解集。在仿真实验中,通过不同角度与基准方案进行对比,结果表明:将STAR-RIS引入SWIPT系统中可以为系统带来更高的能量采集增益。(2)STAR-RIS辅助wpcn系统的通信速率最大化研究。在该系统中,STAR-RIS分别为能量传输和信息传输提供信号的增强服务。为了给系统提供一套最优的设计方案,搭建了最大化通信速率的优化问题,并通过联合设计能量传输阶段STAR-RIS的无源波束赋形、信息传输阶段STAR-RIS的无源波束赋形和无线设备的资源分配参数来实现系统通信速率最大化的目标。由于原始优化问题中存在多个变量相互耦合的现象,首先将原始优化问题拆分为三个子问题;然后利用相位对齐、变量替换和引入惩罚函数的方法求解子问题中的非凸问题;最后提出了一种基于块坐标下降的联合优化算法,通过联合优化系统的资源分配参数和STAR-RIS反射和透射系数,实现系统通信速率最大化的研究目标。仿真结果可以表明所提出的算法具有较好的收敛速度,并且相比于基准方案,将STAR-RIS引入wpcn系统中可以为系统带来更高的通信速率。以上研究表明,将STAR-RIS引入无线供能通信系统中可以为系统提供更高的性能增益;同时,STAR-RIS低成本、低功耗和易部署的特点,使其适用于未来的大规模部署。

关键词： STAR-RIS SWIPT wpcn 无线能量传输凸优化

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基于双寡头博弈的无线充电网络资源分配策略

基于双寡头博弈的无线充电网络资源分配策略

作者：钟宜洁南昌大学

学位级别：硕士

在无线通信网络中,节能设计和安全通信至关重要。无线充电网络(Wireless Powered Communication Network,wpcn)可以为网络中的设备持续工作提供能量,实现超高频谱和能源效率。但日益复杂的通信环境,使得用户信息存在信息安全传输问题。... 详细信息

在无线通信网络中,节能设计和安全通信至关重要。无线充电网络(Wireless Powered Communication Network,wpcn)可以为网络中的设备持续工作提供能量,实现超高频谱和能源效率。但日益复杂的通信环境,使得用户信息存在信息安全传输问题。利用物理层安全特性既不需要为安全密钥产生额外开销又能实现安全通信。其中,协同干扰(Cooperative Jamming,CJ)技术被用来解决合法用户和窃听用户之间的互信息差异所达到的保密率有限的问题。然而,协同干扰机需要消耗自身大量能量干扰窃听用户。智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)可以在不消耗功率的同时抑制干扰信号,既提高能源利用率又实现通信安全。然而,大部分针对保障通信安全的wpcn中资源优化技术的研究,忽略了现实中设备间动态的制约和博弈关系。本文提出了一种多领导者单追随者(Multi-Leader Single-follower,MLSF)的双寡头博弈Stackelberg模型来描述我们提出的系统中多设备间动态的交互作用。研究了在wpcn中利用独立协同干扰机提升合法用户安全保密率的资源分配优化策略。并在前一个研究的基础上,引入IRS辅助独立协同干扰机,共同提升通信安全。具体研究内容如下:1.协同干扰机制下wpcn的资源分配策略针对协同干扰机自身干扰资源有限的问题,研究了在具有窃听用户的wpcn中,基于Stackelberg博弈的资源分配模型,建立了最大化系统资源利用率的优化框架。利用双寡头的Stackelberg博弈模型和最大化效用函数算法,实现了最优的资源分配策略,在节约系统资源的同时,达到了优于基准模型的保密率。仿真结果验证了所提出的博弈模型能达到最佳Stackelberg平衡点,获得优于基准方案的安全速率且节约了协同干扰机需要发射的干扰能量。除此之外,仿真结果还验证了得到的全局最优闭式解的正确性。***增强协同干扰机制下wpcn的资源分配策略针对上述协同干扰机需要消耗自身资源提升系统安全性的局限性,研究了在wpcn中,引入IRS辅助协同干扰机,减少协同干扰资源的消耗,从而实现提高能源利用率和实现通信安全的系统模型。建立了基于Stackelberg博弈模型的资源分配框架。利用交替优化(Alternating Optimization,AO)、非凸优化、半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR)和凸优化理论进行分析推导,提出了最佳资源分配策略。通过引入IRS,达到了比前两个基准方案更加优越的安全速率。仿真结果表明在引入IRS的wpcn中,合法用户的保密率得到了提高,且验证了本文所提出的优化算法的有效性,表明了窃听用户干扰功率分配比的节能效果。

关键词： Stackelberg博弈模型计算保密率 wpcn 协作干扰资源分配

空地一体化网络信息与能量联合传输的性能分析

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空地一体化网络信息与能量联合传输的性能分析

作者：饶晓环西安电子科技大学

学位级别：硕士

基于无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)的空地一体化网络因其具有覆盖范围广、灵活度高、成本低等优势有望在未来移动通信中发挥重要作用。使用UAV作为空中基站(Base Station,BS)平台能够在非常短的时间内以相当低的成本完成部署,并... 详细信息

基于无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)的空地一体化网络因其具有覆盖范围广、灵活度高、成本低等优势有望在未来移动通信中发挥重要作用。使用UAV作为空中基站(Base Station,BS)平台能够在非常短的时间内以相当低的成本完成部署,并且更容易实现视距(Line-of-Sight,LoS)传输,从而提供更好的服务质量(Quality of Service,QoS)。与此同时,信息与能量联合传输因其高灵活性和绿色通信的特性而备受关注,本文主要针对其中一个研究方向——无线供能通信(Wireless Powered Communication,WPC),结合空地一体化网络,对空地一体化网络的信息与能量联合传输进行研究。用户设备(User Equipment,UE)能够有效地进行能量收集(Energy Harvesting,EH),并利用收集的能量实现信息传输,从而可以有效地解决应急通信等情况下UE电量不足以及信息传输受阻的问题,以保证和外界进行及时通信。然而,目前尚未有文献针对空地一体化网络的信息与能量联合传输进行深入的研究。首先,本文对地面无线供能通信网络(Wireless Powered Communication Network,wpcn)的性能进行了研究。本文考虑了充电桩(Power Beacon,PB)和BS随机部署的wpcn模型,上行链路用户能够同时从PB以及BS的射频(Radio Frequency,RF)信号中收集能量,以维持其发射功率,从而实现绿色通信。PB可以全向辐射或通过波束成形定向辐射,分别称为全向模式或定向模式,本文针对这两种模式分别对用户收集的能量进行了分析。此外,考虑到UE的最大允许发射功率(Maximum Allowable Transmit Power,MATP),在满足UE的QoS需求下,本文推导出UE的中断概率和成功传输概率。最后,通过数值仿真对不同PB模式下的中断概率以及成功传输概率进行了分析比较,得到了更优的网络部署方案。在地面无线供能蜂窝网络研究的基础上,本文进一步对地面网络无法覆盖的情况进行了研究,考虑了地面BS与空中BS联合组网的空地一体化网络的信息与能量联合传输。空中BS和地面BS为用户提供通信服务的同时,也作为能量源对用户进行充电。本文利用随机几何理论将空地一体化网络中的空中BS、地面BS和用户建模为独立的泊松点过程(Poisson Point Process,PPP)。首先考虑空中BS与用户之间空地链路的LoS和非视距(Non-Line-of-Sight,NLoS)传输,采用莱斯模型对空地链路的信道进行拟合。与传统网络相比,空地一体化网络具有更加复杂的干扰环境,本文分析了UE受到的干扰,并对其收集的能量进行了求解。在此基础上,本文重点研究了空地一体化网络的中断概率和成功传输概率。最后通过仿真分析了收集能量的影响因素,以及空中BS和地面BS的部署对网络性能的影响。仿真结果显示,通过合理部署地面BS或空中BS,可以有效地提高网络性能,降低成本,保证UE的通信质量。尽管本文对空地一体化网络信息与能量联合传输的性能进行了相关研究,但仍存在不足之处,将来需要就某些方面展开更加深入的研究。考虑到在应急救援等情况下,用户的数据速率需求相对较低,从基站RF中收集的能量基本可以满足用户需求。所以,本文在对空地一体化网络的研究中暂未考虑随机部署的PB。对于数据速率需求较大的情况,可以考虑引入PB对UE进行供电。另一方面,本文对于网络性能的分析仅考虑了中断概率和成功传输概率,为了更好的评估网络的性能,未来可以进一步对网络能效(Energy Efficiency,EE)进行研究。

关键词： wpcn EH 空地一体化通信中断概率 PB 绿色通信