基于磁共振无线能量传输技术的多中继波束成形与优化配置算法

本文是计算机论文，本文先详细介绍基于于磁共振多中继无线能量传输系统的波束成形算法。其实际问题的核心是通过在系统总功耗的约束下共同调整各个发射器的电流来最大化接收器负载电阻的功率。首先，该算法将该实际问题转换成数学形式的非凸的QCQP最优化问题。为了解决此问题，算法根据最优化方法提取目标函数和限制条件，并推导出了最优化问题的拉格朗日方程，并列出了KKT条件。然后，算法的核心就是对拉格朗日乘子进行了松弛处理，以获得可行的最优解的先行条件。满足了得到最优解的先行条件就可以获得问题的最优解，即能够在系统总功耗的约束下最大化接收器负载电阻功率的各个发射器的最优电流。仿真实验结果表明，磁共振多中继波束成形算法比平均电流分配策略和传统的无中继波束成形算法拥有更好的性能。

第1章引言

第一章介绍了无线能量传输技术的的无线能量传输技术的诞生与发展、和它现在所应用的领域以及现今的三大类型无线充电技术，并叙述研究目标、内容和解决的关键技术和论文结构及章节安排。第二章主要是从中继器、波束成形算法和中继优化配置算法这三个方面介绍研究课题的相关工作。第三章和第四章为研究课题中的磁共振多中继波束成形和优化配置算法的具体内容,其中包各部分用到的磁共振多中继无线能量传输系统模型介绍和两个磁共振多中继算法的实际问题公式化与获得最优解的过程.第五章将会展示经过仿真实验后的磁共振多中继波束成形与优化配置算法的实验结果。其中，磁共振多中继波束成形算法与已有的传统算法之间进行性能比较分析，磁共振多中继优化配置算法将配合本文提出的波束成形算法表现出对无线能量传输系统的进一步性能提升。第六章将会对整个课题研究进行总结，展示了研究课题所做出的贡献并反思研究的缺陷与不足并对未来的研究工作进行展望。最后一部分是附录、参考文献、笔者研究生期间的研究成果和致谢内容。

第2章磁共振中继相关研究进展

2.1关于中继器的相关研究

研究人员对无线蜂窝通信系统中解码器的转发中继器与射频中继器的系统级性能进行了比较[26]。结果表明，对于小尺寸的中继系统，射频中继器可以比转发中继系统带来更高的信元频谱效率增益，因为与转发中继器相比，射频中继器可以同时接收和发送信号。然而，对于较大的信元尺寸，转发中继系统可以带来比射频中继系统更高的信元频谱效率增益，这是因为接入点和中继节点都可以通过使用信道复用来同时传输信号。由接入点和中继节点同时传输的单元大小不同，这也意味着转发中继可以提供比射频中继更高的系统和用户吞吐量。在另一项研究工作中，研究人员对多用户多中继协同无线上行链路中多天线节点的联合用户中继选择与关联进行观测[27]。对于非再生式和辅助式中继器，他们提出了一个低复杂度的联合方案，该方案同时选择多个中继器和用户进行合作，并将选择的用户分配给不同选择原则的中继器进行服务。该方案是次优的，仅利用节点间的信道增益，与需要全信道知识的方案相比，减少了频繁的反馈和信道开销。此外，该方案的复杂度与中继总数、用户总数和所选用户数的乘积成线性关系。仿真结果表明，与传统的用户-中继选择方案相比，该联合方案具有优越性。该方案具有良好的性能和较低的复杂度，对于新兴的宽带无线中继网络(如LTE-Advanced)的实现具有很大的帮助作用。

2.2关于波束成形算法的相关研究

目前，研究人员已经研究了多发射机对一个接收器进行充电的算法，该算法的适用模型只有两个发射器和一个接收器的磁共振无线能量传输系统[30]。而所得到的结果不能直接推广到两个以上发射器的情况，这体现了他们的研究是具有局限性的。但是这也证明可以像对通信算法的研究一样去对无线能量传输进行算法层面的深入研究，而不是只在表面的电子器件质量上做研究，也为磁共振无线能量传输波束成形算法做了开端。也有研究通过模型分析和实验，发现可以对磁共振式无线能量传输系统中的各个发射器电流进行最优控制，这样就可以实现磁共振无线能量传输系统的最大功率转移效率[31]。这个研究所提出来的电流最优化控制，就是针对磁共振式无线能量传输系统的波束成形算法，这个研究中所提出的模型只是简单的未配备中继器的磁共振式无线能量传输系统，现在看来是相对落后的。

第3章磁共振多中继波束成形算法..........................21

3.1算法模型介绍....................................................23

3.2实际问题公式化..................................................26

3.3最优化算法......................................................26

第4章磁共振多中继优化配置算法..........................31

4.1算法模型介绍....................................................31

4.2实际问题公式化..................................................32

4.3最优化算法......................................................33

第5章仿真实验与结果分析................................37

5.1仿真实验模型....................................................37

5.2磁共振多中继波束成形算法实验结果分析..........................38

第5章仿真实验与结果分析

5.1仿真实验模型

在本章节将会对前面部分所列举的两种磁共振多中继算法进行实验设计并使用数学软件MATLAB进行仿真实验，进一步说明本文所提出的两种算法对磁共振多中继无线能量传输系统的增益效果，包括传输距离、传输功率和传输效率方面。本部分的所有具体数据均展示在附录A中。在图5.2中,通过观测三条曲线，仿真实验模型的不足也就显现出来：在发射端与接收器的垂直距离较小时，磁共振多中继无线能量传输系统产生了过耦合现象，从而磁共振多中继波束成形算法的增益效果变弱。所以，下一步的工作也应该尝试用理论的方式解释过耦合现象，并从理论上找到规避这种现象的方法。在图5.7中，红线所表现出形状起伏较大，直观感受是在两个迭代次数限制之下接收器负载电阻功率相差甚大，但其实图中的纵坐标的取值范围是非常小的，且不到1。这个现象说明在多中继优化配置算法中迭代次数为10时相比迭代次数为5时所得到的最佳中继端平面放置坐标在系统性能上的提升并没有太大的区别。然而，提高迭代次数却是会大大提升算法的时间复杂度。所以，未来的工作也应该进一步对迭代次数进行优化，在更小的时间复杂度上得到更高的系统性能提升。

5.2磁共振多中继波束成形算法

第6章总结与展望

本研究课题的主要贡献：1.在基础的磁共振式无线能量传输系统上，本研究课题加入了与现实场景中功能相似的无源中继器，这样就使整个系统内部的感应关系变得更加复杂，研究课题通过对这样结构的系统进行合理地数学建模，并使用该数学模型为磁共振多中继波束成形和优化配置算法进行服务，从而帮助两个算法提炼出核心的最优化问题；2.本文中所提出的磁共振多中继波束成形算法从更加真实的仿真模型中提炼出一个最优化问题，并创新性地对拉格朗日乘子作松弛处理从而帮助中继器进一步提升无线能量传输系统性能；3.从工程角度出发，本研究课题提出了一种基于磁共振无线能量传输技术的具有快速收敛速度的中继器优化配置算法，在提升无线能量传输系
统传输效率的同时也能有效地提升无线能量传输系统的传输距离。
参考文献（略）