移动通信系统中信息与能量协同传输技术研究

With the rapid growth of wireless services and increasing rigidity of environmental concerns in recent years, issues of energy consumption in.wireless communication systems have become increasingly non-negligible. In particular, for mobile communication systems, deficiency of battery energy has loomed as the bottleneck of wireless service development and user experience enhancement. With introduction of wireless information and energy transfer, this project is focused on synergy between information and energy transfer in order to fully utilize the energy scavenged from wireless signal and further benefit mobile terminals while ensuring the overall system performance. The detailed research includes study on quantized relationship between performance of energy and information transfer from the perspective of physical layer optimization, optimal utilization of wireless signal in mobile communication systems in terms of coverage of energy and information transfer, wireless resource allocation and control and utilization of interference signal, as well as analysis and optimization for the security of information and energy transfer in mobile communication systems from the perspective of physical layer security and terminals' spatial information estimation. This project puts forth a brand-new idea toward energy efficiency enhancement in mobile communication systems, explores energy-harvesting-related techniques in wireless communication systems, and accords with today's sustainable-development notion and energy-saving-and-eco-friendly trend.

随着近些年无线业务的飞速发展以及环境问题的日益严峻，无线通信系统中的能量消耗问题逐渐变得不可忽视。特别是对于移动通信系统，电池供给的有限能量已逐渐成为制约无线新业务发展以及用户体验提升的瓶颈。本课题将无线信息与能量传输技术引入移动通信系统，通过研究无线信息与能量协同传输方法，旨在保证移动通信系统整体性能的前提下，充分利用无线信号中携带的能量为移动终端提供有益补充。具体研究内容包括：从物理层参数优化的角度研究点对点通信能量与信息传输性能的量化关系，在能量与信息的覆盖范围、无线资源分配、干扰信号的控制与利用等方面优化利用移动通信系统中的无线信号，以及从物理层安全和终端空间信息估计的角度分析并优化移动通信系统中无线信息与能量传输的安全性。本课题不仅为提高移动通信系统能量效率提供了全新的思路，也是能量采集相关技术在无线通信系统中的应用拓展，符合通信系统可持续的发展理念和节能环保的发展趋势。

本项目预期目标是将无线信息与能量传输技术引入移动通信系统，赋予无线信号同时传输信息和能量的双重能力，有效缓解当前移动通信系统中日益严峻的能耗问题。本项目从无线信号能量传输与信息传输性能的协同优化方法，移动通信系统中有效的无线资源分配与干扰控制以及携能传输下的通信安全这几方面探讨将无线信息与能量传输技术引入移动通信系统后的系统优化设计问题。. 在无线信号能量传输与信息传输性能的协同优化方法方面，研究了二进制无噪声信息传输系统的信源编码，提出了变长编码方案优化信息与能量协同传输的性能；针对ARQ反馈机制，提出利用接收端在反向信道发送的反馈信号对发送端进行能量补充，研究了发送端的动态功率控制策略来优化期望传输数据量；针对中继节点具有信息与能量协同传输功能的协作通信系统，研究了中继节点的最优功率分离策略以最大化协作通信容量；研究了无线能量采集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以及最优停止频谱感知策略。. 在移动通信系统中有效的无线资源分配与干扰控制方面，针对基于信息与能量协同传输的多用户OFDM系统，提出了信息与能量分载波独立传输方案，并基于此方案研究了该系统资源分配的优化设计；研究了无线能量驱动的认知无线电网络的协作频谱共享模型及其资源分配的优化设计来最大化上行链路能量效率；针对中继具有信息与能量协同传输能力的协作通信网络并着重研究了其资源分配方案，包括每个中继的能量信息比、下行链路的功率分配、信道分配以及用户与中继关联。. 在携能传输下的通信安全方面，主要关注存在窃听设备的协作通信网络，其中无人机作为发送端和接收端之间的可移动中继进行协作通信，研究了无人机飞行轨迹以及随时间变化的功率描绘与功率分配比描绘的优化设计方法来最大化协作信道保密容量。. 项目组圆满完成了项目任务。