基于磁共振無線能量傳輸技術的多中繼波束成形與優(yōu)化配置算法

1、基于磁共振無線能量傳輸技術的多中繼波束成形與優(yōu)化配置算法本文是計算機論文，本文先詳細介紹基于于磁共振多中繼無線能量傳輸系統(tǒng)的波束成形算法。其實際問題的核心是通過在系統(tǒng)總功耗的約束下共同調整各個發(fā)射器的電流來最大化接收器負載電阻的功率。首先，該算法將該實際問題轉換成數(shù)學形式的非凸的QCQP最優(yōu)化問題。為了解決此問題，算法根據(jù)最優(yōu)化方法提取目標函數(shù)和限制條件，并推導出了最優(yōu)化問題的拉格朗日方程，并列出了KKT條件。然后，算法的核心就是對拉格朗日乘子進行了松弛處理，以獲得可行的最優(yōu)解的先行條件。滿足了得到最優(yōu)解的先行條件就可以獲得問題的最優(yōu)解，即能夠在系統(tǒng)總功耗的約束下最大化接收器負載電阻功率的各個

2、發(fā)射器的最優(yōu)電流。仿真實驗結果表明，磁共振多中繼波束成形算法比平均電流分配策略和傳統(tǒng)的無中繼波束成形算法擁有更好的性能。.第1章引言第一章介紹了無線能量傳輸技術的的無線能量傳輸技術的誕生與發(fā)展、和它現(xiàn)在所應用的領域以及現(xiàn)今的三大類型無線充電技術，并敘述研究目標、內容和解決的關鍵技術和論文結構及章節(jié)安排。第二章主要是從中繼器、波束成形算法和中繼優(yōu)化配置算法這三個方面介紹研究課題的相關工作。第三章和第四章為研究課題中的磁共振多中繼波束成形和優(yōu)化配置算法的具體內容,其中包各部分用到的磁共振多中繼無線能量傳輸系統(tǒng)模型介紹和兩個磁共振多中繼算法的實際問題公式化與獲得最優(yōu)解的過程.第五章將會展示經(jīng)過仿真實

3、驗后的磁共振多中繼波束成形與優(yōu)化配置算法的實驗結果。其中，磁共振多中繼波束成形算法與已有的傳統(tǒng)算法之間進行性能比較分析，磁共振多中繼優(yōu)化配置算法將配合本文提出的波束成形算法表現(xiàn)出對無線能量傳輸系統(tǒng)的進一步性能提升。第六章將會對整個課題研究進行總結，展示了研究課題所做出的貢獻并反思研究的缺陷與不足并對未來的研究工作進行展望。最后一部分是附錄、參考文獻、筆者研究生期間的研究成果和致謝內容。.第2章磁共振中繼相關研究進展2.1關于中繼器的相關研究研究人員對無線蜂窩通信系統(tǒng)中解碼器的轉發(fā)中繼器與射頻中繼器的系統(tǒng)級性能進行了比較26。結果表明，對于小尺寸的中繼系統(tǒng)，射頻中繼器可以比轉發(fā)中繼系統(tǒng)帶來更高的

4、信元頻譜效率增益，因為與轉發(fā)中繼器相比，射頻中繼器可以同時接收和發(fā)送信號。然而，對于較大的信元尺寸，轉發(fā)中繼系統(tǒng)可以帶來比射頻中繼系統(tǒng)更高的信元頻譜效率增益，這是因為接入點和中繼節(jié)點都可以通過使用信道復用來同時傳輸信號。由接入點和中繼節(jié)點同時傳輸?shù)膯卧笮〔煌?，這也意味著轉發(fā)中繼可以提供比射頻中繼更高的系統(tǒng)和用戶吞吐量。在另一項研究工作中，研究人員對多用戶多中繼協(xié)同無線上行鏈路中多天線節(jié)點的聯(lián)合用戶中繼選擇與關聯(lián)進行觀測27。對于非再生式和輔助式中繼器，他們提出了一個低復雜度的聯(lián)合方案，該方案同時選擇多個中繼器和用戶進行合作，并將選擇的用戶分配給不同選擇原則的中繼器進行服務。該方案是次優(yōu)的，僅

5、利用節(jié)點間的信道增益，與需要全信道知識的方案相比，減少了頻繁的反饋和信道開銷。此外，該方案的復雜度與中繼總數(shù)、用戶總數(shù)和所選用戶數(shù)的乘積成線性關系。仿真結果表明，與傳統(tǒng)的用戶-中繼選擇方案相比，該聯(lián)合方案具有優(yōu)越性。該方案具有良好的性能和較低的復雜度，對于新興的寬帶無線中繼網(wǎng)絡(如LTE-Advanced)的實現(xiàn)具有很大的幫助作用。2.2關于波束成形算法的相關研究目前，研究人員已經(jīng)研究了多發(fā)射機對一個接收器進行充電的算法，該算法的適用模型只有兩個發(fā)射器和一個接收器的磁共振無線能量傳輸系統(tǒng)30。而所得到的結果不能直接推廣到兩個以上發(fā)射器的情況，這體現(xiàn)了他們的研究是具有局限性的。但是這也證明可以像

6、對通信算法的研究一樣去對無線能量傳輸進行算法層面的深入研究，而不是只在表面的電子器件質量上做研究，也為磁共振無線能量傳輸波束成形算法做了開端。也有研究通過模型分析和實驗，發(fā)現(xiàn)可以對磁共振式無線能量傳輸系統(tǒng)中的各個發(fā)射器電流進行最優(yōu)控制，這樣就可以實現(xiàn)磁共振無線能量傳輸系統(tǒng)的最大功率轉移效率31。這個研究所提出來的電流最優(yōu)化控制，就是針對磁共振式無線能量傳輸系統(tǒng)的波束成形算法，這個研究中所提出的模型只是簡單的未配備中繼器的磁共振式無線能量傳輸系統(tǒng)，現(xiàn)在看來是相對落后的。.第3章磁共振多中繼波束成形算法.213.1算法模型介紹.233.2實際問題公式化.263.3最優(yōu)化算法.26第4章磁共振多中繼

7、優(yōu)化配置算法.314.1算法模型介紹.314.2實際問題公式化.324.3最優(yōu)化算法.33第5章仿真實驗與結果分析.375.1仿真實驗模型.375.2磁共振多中繼波束成形算法實驗結果分析.38.第5章仿真實驗與結果分析5.1仿真實驗模型在本章節(jié)將會對前面部分所列舉的兩種磁共振多中繼算法進行實驗設計并使用數(shù)學軟件MATLAB進行仿真實驗，進一步說明本文所提出的兩種算法對磁共振多中繼無線能量傳輸系統(tǒng)的增益效果，包括傳輸距離、傳輸功率和傳輸效率方面。本部分的所有具體數(shù)據(jù)均展示在附錄A中。在圖5.2中,通過觀測三條曲線，仿真實驗模型的不足也就顯現(xiàn)出來：在發(fā)射端與接收器的垂直距離較小時，磁共振多中繼無線

8、能量傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生了過耦合現(xiàn)象，從而磁共振多中繼波束成形算法的增益效果變弱。所以，下一步的工作也應該嘗試用理論的方式解釋過耦合現(xiàn)象，并從理論上找到規(guī)避這種現(xiàn)象的方法。在圖5.7中，紅線所表現(xiàn)出形狀起伏較大，直觀感受是在兩個迭代次數(shù)限制之下接收器負載電阻功率相差甚大，但其實圖中的縱坐標的取值范圍是非常小的，且不到1。這個現(xiàn)象說明在多中繼優(yōu)化配置算法中迭代次數(shù)為10時相比迭代次數(shù)為5時所得到的最佳中繼端平面放置坐標在系統(tǒng)性能上的提升并沒有太大的區(qū)別。然而，提高迭代次數(shù)卻是會大大提升算法的時間復雜度。所以，未來的工作也應該進一步對迭代次數(shù)進行優(yōu)化，在更小的時間復雜度上得到更高的系統(tǒng)性能提升。5.2磁共

9、振多中繼波束成形算法有了磁共振多中繼波束成形算法的幫助可以進一步提高無線能量傳輸系統(tǒng)的性能，但是中繼線圈并不能隨便地放置。第五章的算法性能分析中，磁共振多中繼波束成形算法如果因為中繼線圈的放置不當是會出現(xiàn)過耦合現(xiàn)象的，在這種情況下，磁共振多中繼波束成形算法不僅不能提升無線能量傳輸系統(tǒng)的接收器負載電阻功率，甚至性能會不如傳統(tǒng)的平均資源分配策略和無中繼的傳統(tǒng)磁共振波束成形算法。這和研究無線充電這項技術的目的是相反的，系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率不僅沒有提升，反而還不如一些傳統(tǒng)方法，并且沒有研究能從理論的角度去解釋出加入中繼器后磁共振多中繼無線能量系統(tǒng)產(chǎn)生過耦合現(xiàn)象的原因。這也是磁共振無線能量傳輸算法更進一步發(fā)展的阻礙，所以對中繼器的優(yōu)化配置也顯得尤為重要。.第6章總結與展望本研究課題的主要貢獻：1.在基礎的磁共振式無線能量傳輸系統(tǒng)上，本研究課題加入了與現(xiàn)實場景中功能相似的無源中繼器，這樣就使整個系統(tǒng)內部的感應關系變得更加復雜，研究課題通過對這樣結構的系統(tǒng)進行合理地數(shù)學建模，并使用該數(shù)學模型為磁共振多中繼波束成形和優(yōu)化配置算法進行服務，從而幫助兩個算法提煉出核心的最優(yōu)化問題；2.本文中所提出的磁共振多中繼波束成形算法從更加真實的仿真