无线携能中继系统中信息-能量传输的权衡

The Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) is the key technique to supply the increasing power demand of the mobile device, which conforms to the requirement of Green Communication. Thus, how to balance the information transfer speed and the power transfer in new scenario is the main study in this novel subject. To obtain the optimal solution, a large amount of investigation is done. (1) This subject attempt to establish the model of SWIPT and one-way relay system, and create the multi-object optimization problem based.on the balance function of information and power transfer. Using the characteristic of SWIPT and the theory of relay, the closed form solution is tried to derive. (2) Furthermore, based on the closed form optimal solution, the best relay selection scheme is proposed. (3) Then, the multi-object optimization problem of the balancing the information transfer speed and the power transfer is investigated to find simple and efficiency algorithm. As a matter of fact, this subject compensates the short comings of the current power allocation and derives the optimal solution, which gives the instructions on practical implementation and provides the theoretic fundament for the further study of SWIPT.

无线携能通信被认为是解决移动终端日益增长的能量需求问题的重要手段，是符合“绿色通信”要求的新技术。如何通过实现无线携能通信中数据传输速率与能量传输的权衡是一个新环境下的新问题，而本课题正是针对该问题展开，探索该问题的最优解或优化方法。(1)兼顾无线携能通信系统中数据传输与能量传输两方面，本课题尝试建立单用户无线携能通信系统、单向携能中继系统的数学模型，并以数据与能量的权衡函数为目标函数创建多目标优化问题。(2)结合无线携能通信的特点，应用中继理论相关知识求解该优化问题，尝试推导最优解的闭合形式。基于该闭合形式的最优解，讨论携能中继的最优中继选择方案。(3)然后对于双向携能中继中的权衡问题，探究其简单高效的多目标规划算法。本课题的研究能够弥补现有工作中在能量配置灵活性方面的不足，且推导出的能量分配最优解具有闭合形式，使得本课题有较强的现实指导意义，将为无线携能通信的进一步研究提供理论基础。

随着越来越多新的网络应用的出现，高速率﹑高带宽﹑多业务﹑低成本﹑低能耗的5G通信系统已经成为发展的新趋势。然而在5G推广过程中面临的很多实际问题，尤其是较高的功耗问题。为了解决这些问题，5G以及5G以后的系统中采用了一系列节能减排的技术。这其中，无线携能中继技术可以一方面帮助D2D系统中的终端提高传输效率，在另一方面可以帮助终端补充能量，延长生存周期，减少更换成本。所以说，无线携能中继技术兼顾“开源”和“节流”两个方面的优势，为更好的实现绿色通信提供了一条新思路。.1).研究了无线携能传输中的速率和能量权衡问题。为此，首先提出一个速率能量权衡矩阵，并据此建立优化问题。然后，获得问题的闭式解并得到速率-能量权衡的直接关系式。最后，通过选择能量分配比例，可以使更快的信息传输速率与更有效的能量传播达到平衡。.2).研究单向携能中继系统中能量采集与信息传输之间的关系。首先，通过引入权衡因子构建权衡函数，并以权衡函数值为最大建立优化问题。通过拉格朗日乘子法获得权衡函数优化问题的最优解。实验仿真结果表明，权衡函数能够较好的反应能量采集与信息传输的关系，并且通过计算获得的最优解与实验结果相同。.3).研究D2D场景下的全双工携能双向中继通信系统的能量-信息权衡问题。考虑全双工的自干扰，传输门限等因素，构建一个可以灵活配置信息传输和能量传播所占比例的乘积权衡函数。通过一系列的化简与计算，获得最优解的一维搜索方法。实验结果也表明，可以通过一维搜索获得乘积权衡函数优化问题的最优值。.本项目的科学意义在于探索基于中继协作通信和无线携能传输技术，通过权衡的选择能量分配比例，为解决无线通信频谱和能源紧缺问题提供新的思路。项目研究将最优化方法等相关理论与研究成果应用于无线携能传输的策略与机制的研究中，对于缓解无线通信的能源危机具有重要的意义, 为缓解能量资源紧缺问题，提供新的解决思路。