无线信息与能量协同传输理论与关键技术研究

Recently, energy harvesting has become an appealing solution to prolong the lifetime of the conventioanl energy-constrained wireless networks. Unlike battery-powered networks, energy-harvesting wireless networks potentially have an unlimited energy supply from environment, which can reduce the overhead of the network maintainance,especially the replacement of supplies. As one of the new sources for energy harvesting, radio signals can carry information as well as energy at the same time, leading to a promising research direction, namely "simultaneous wireless information and power transfer". Firstly, this project will investigate the the designs for the implementation of radio-frequency-based (RF-based) energy harvesting. The feasible solutions to the problems on the relatively low energy transfer efficiency and high threshold for activating the equipment will be given. And then, the energy density distribution in the laboratory will be measured and researched, by which the energy distribution model can be built. Secondly, aiming at guaranteeing the efficiency of information and energy simultaneously and adapting to the practical constraints, the optimal transmission strategies and resource allocation schemes will be proposed in single-hop networks by using the accurate model of the RF energy distribution. Finally, based on the research in the simple scenarios, the transmission strategies of information and power transfer in the complex multi-hop networks will be put forward. On the results of researches and experiments, the relatively complete theory system of RF-based energy harvesting and cooperative wireless information and energy transfer technologies will be built.

射频能量收集技术作为绿色无线通信技术发展的重要策略之一，为无线信息和能量协同传输思想提供了可行性。基于能量收集的信息和能量协同传输技术在充分利用可再生能源、延长网络运行时间、降低网络维护开销等方面具有着重要意义。本项目首先研究射频能量收集技术，针对目前存在的能量转化率低、设备启动门限高等问题提出解决方案，并且通过实验测量对环境中的能量密度分布进行精确建模。其次，研究单跳网络下无线信息和能量协同传输理论，保证信息能量高效并行传输,同时,基于精确的环境电磁能量分布模型,面向工程实现条件研究信息能量协同传输的优化策略和资源分配方案。最后，基于单跳网络场景下的基本理论研究，进一步研究复杂多跳网络下的信息和能量协同传输理论,并提出实现方案和优化策略。通过对以上三方面的研究，提出较为完善的基于射频能量收集的无线信息和能量协同传输的理论体系和设计方案,并通过实际测量和平台环境进行实验验证。

本项目预期目标是基于无线信息和能量协同传输技术，提出较为完善的的理论体系和传输方案，有效缓解当前无线通信系统中日益严峻的能耗问题。本项目从基于射频能量收集技术系统的能量建模和频谱感知，单跳网络下无线信息与能量协同中能量的高效利用，以及中继协作多跳网络下能量与信息协同传输中资源分配优化这几方面探讨无线信息与能量协同传输技术的系统优化设计问题。.在基于射频能量收集技术的系统下能量建模和频谱感知方面，针对能量传输模型优化，研究了二进制无噪声信息传输系统的变长编码方案；进一步，研究了ARQ反馈机制，提出利用能量补充的动态功率控制策略。针对基于高效率能量收集系统的频谱感知，研究了认知无线电系统中能量采集、频谱感知与数据传输的优化设计。针对无线能量驱动的认知无线电网络的协作频谱共享模型，研究其资源分配的优化设计。.在单跳网络下的信息能量协同传输技术的理论研究方面，针对点对点能量与信息传输优化设计，研究了SWIPT多用户干扰信道中，在采用时间切换方案和功率分配方案时的传输优化方案。针对单跳网络中无线能量有效利用与资源分配策略，提出了信息与能量分载波独立传输方案；并引入协作通信，以兼顾网络整体性能能量使用效率。针对安全通信场景下信息与能量协同传输，提出合理的参数配置算法与协同优化机制，以提高信道保密容量并保证能量传输的效率和准确性。.在多跳中继网络下的信息能量协同传输的理论研究方面，针对基于中继的全双工无线传能网络，提出预编码技术和全双工技术解决能量传送效率低和资源利用率低的问题；进一步考虑用户协作网络下，提出联合收发机预编码技术优化方案。针对新型的网络形式下的信息与能量协同传输，研究了基于无人机辅助的中继协作，提出资源分配和无人机基站部署的联合优化方法；并进一步研究了轨迹与功率共同优化的问题。针对多用户协作网络下信息能量协同传输，研究了资源分配方案。.项目组圆满完成了项目任务。