SWIPT无线充电系统中的安全通信技术研究

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毕业论文

1绪论.1

1.1研究背景及意义.1

1.2研究现状分析.2

1.3内容安排.5

2总体方案设计.6

2.1系统建模.6

2.2设计原理.9

2.3研究工具的选择10

3基于人工加扰的安全传输算法设计12

3.1人工加扰策略设计12

3.2算法设计17

3.3对比策略分析21

4仿真结果及分析22

结论.26

致谢.27

参考文献28

1 绪论 1.1 研究背景及意义能量和信息是人类社会得以发展的重要因素，由于人们对能量和信息的不断研究和探索，才促使人类生活方式的逐渐改变。一般地，人们习惯将能量和信息分开研究。事实上，科学家和研究人员已经在能量和信息单独领域取得了伟大成就，他们研究出能量的产生、输送和收集，同时也研究了信息的产生、传递和接收。然而，目前很少有人将这两者结合起来进行研究。随着在能量和信息各自独立领域研究的深入，科研人员逐渐遇到了研究的瓶颈。特别地，能量作为一种资源，它是人类赖以发展的动力。但是人们却逐渐发现能量这种资源很短缺。于是，科研人员利用各种各样的方法来获取能量，如利用太阳能发电和风能发电甚至人们已经想到利用地热能了。但太阳能发电和风能发电往往要严重依赖自然环境，而且并且存在转化、存储、运输等多个步骤，导致系统设备复杂，维护成本高。所以太阳能发电和风能发电虽然一直被视作极其清洁的能源，一直以来也备受关注，但事实上却没有成为主流能量来源。随着科技的发展，人们研究出了网络，随后出现无线网络，而随之产生的是无线电子产品。网络扩宽了人们的生活空间，改变了人们的办公方式，极大提高了生产效率，极大地改变了人类生产生活方式。尤其是近年来出现的互联网和物联网，不仅改变了人们的生活方式，也造就了各种各样的科技创新，而其中最广为人知的便是各种便携式电子产品，如手机、 PAD、笔记本等。如今人们已经无法离开网络生活了，这些电子产品无疑为人类的生活提供了极大便利，虽然电子产品越来越先进，功能越来越多样，但是一直以来未能解决的电池续航问题也越来越严重。以手机为例，原来的功能机待机时间一般能达 30 天至 40 天，但现在的智能机正常使用电池只能坚持 1 天至 2 天，人们为如此短暂的待机时间苦恼不已。人们通常采用更换电池或者充电的方式延长诸如无线传感网络等能量受约束网络的寿命，但并不是所有情形都能通过这种方式解决的。因为更换电池和充电有时候会招致更高的成本和不便，甚至危险（例如，在有毒的环境中）。如果传感器的电池嵌入在建筑物的结构内部或人体内部，更换电池根部是不可能的。因此人们需要一个更方便，更安全，以及更“绿色”的替代方案。从环境中获得能量成为人们的研究方向。电磁波一直以来被人类用来传递信息，在通信领域，电磁波扮演着至关重要的角色。电磁波作为无线通信的信息载体，使得无线电通信迅速发展，现如今的卫星通信、手机等为人们生活提供了极大方便。但同时电磁波包含能量，人们期望摆脱线缆的束缚，实现无线充电，并在无线充电领域积极探索。无线充电技术逐渐被发明，并应用在各个领域，现在电动汽车，手机中都有应用，并有普及的趋势。随着研究的深入，人们发现无线电波也可以用来传播能量，利用电磁波同时传递能量和信息（SWIPT）的课题随之进入人们的视野，最近几年，该领域研究热情高涨[1][2][3]。 SWIPT 是利用电磁波在传递信息的同时，传输能量。由于现在无线网络无处不在，网络中大量的射频资源，他们有很好的连续性，因此无线电波将会是能量收集的极好的潜在对象。但是，随着研究深入，问题随之产生。为了能够收集电磁波的能量，当然希望能量接收机获得的能量越多越好，即让能量接收机接收的信号强度足够强。但是这样会让能量接收机窃听到本该传递给信息接收机的信息，这就产生了安全通信的问题。本文就是在这样的背景下展开研究的。