基于能量信标的无线供电通信系统关键技术研究

Wireless power transfer with power beacons (PB) in wireless powered communication (WPC) systems is a sustainable and environment-friendly technique in future green communication systems. However, the system design and the application of large-scale PB deployment in WPC systems is essentially challenged by the heterogeneous network scenario, randomly distributed wireless nodes, non-uniform distribution of the power requirement, and the constraint of the network energy efficiency. In this project, we first construct the PB-assisted WPC systems with multiple stochastic geometry models and analyze the power transfer and information transmission in these systems. Then, based on the multi-user scenarios, we design a low-complexity transmission mode to provide the power transfer for multiple users. Besides, we propose a low-overhead multi-user scheduling strategy based on the energy level of the users. Furthermore, based on the above results, we investigate an analytically tractable model of energy efficiency for PB-assisted WPC systems. We discuss the impact of fractional power control on the average energy efficiency, then focus on the maximization of the energy efficiency of information transmission through joint optimization of the system parameters. The objective of this project is to shed some light on the design and optimization of the PB-assisted WPC systems.

利用能量信标实现无线供电通信系统中的能量与信息传输，是构建绿色无线通信系统的一项关键技术。在多用户异构网络中大规模部署能量信标，由于网络场景的复杂、节点位置的随机、能量需求的不均、以及对于能量效率的高需求，能量信标的网络建模较为复杂，研究基于能量信标的传输技术则更加困难。本项目拟开展无线供电通信系统中基于大规模多天线能量信标的关键技术研究，内容包括：1)根据无线节点与能量需求的分布，建立大规模能量信标的多种分布模型，利用波束成形提升系统能量与信息传输性能；2)针对多用户场景，设计低复杂度的多目标能量传输模式，基于能量传输性能提出低开销的多用户调度策略，揭示多用户自由度对网络性能的提升；3)聚焦该异构网络的能效性，构建大规模能量信标分布下的系统能效模型，通过合理的资源配置分析并优化系统能效。研究成果将不仅为基于大规模能量信标的信能传输提供理论指导，也为无线供电通信网络的性能优化提供技术支撑。

本项目面向无线供能通信（Wireless Powered Communications, WPC）网络，通过构造大规模能量信标为无线节点进行能量传输、无线节点再利用采集的电能进行信息传输的通信模型，针对节点分布的随机、能量需求的不均匀、多用户的传输调度以及高能效的系统需求等难点，应用射频信号能量采集技术，结合随机几何理论与随机矩阵论，对能量信标在WPC网络中的多天线传输方式、部署方式、多用户调度策略、性能优化技术展开研究，通过研究大规模能量信标分布场景下的WPC网络关键传输技术，实现无线能量通信与无线信息通信的高效融合。项目具体完成情况为：1) 基于泊松点过程模型的无线供能通信网络性能分析：根据无线节点的位置分布以及节点能量需求的分布，构造基于多种大规模能量信标分布模型的WPC异构网络，研究了天线数、分布密度、估计误差和终端发射功率对传输性能的影响；2）基于泊松聚类过程模型的无线供能通信网络性能分析：为了在WPC网络中实现有效的传输，提出了一种基于截断泊松聚类过程的能量信标部署策略，建立了WPC网络的两层关联泊松聚类过程模型，研究了网络参数对系统精细化性能指标的影响；3）无线中继网络多用户调度策略研究：基于随机几何刻画节点随机分布位置，研究了一种双跳多输入多输出中继网络，探索了同信道干扰、路径损耗和随机节点放置对系统性能的联合影响。4）基于多中继节点的无线网络精细化性能分析：基于随机几何提出了一个无线上行中继网络模型，根据网络模型提供了上行传输的细粒度性能分析。研究成果被发表于国内外权威期刊以及相关领域重要学术会议上。研究成果将为智能物联网及智能城市应用场景中的可持续供能通信提供技术指导，也能够为无线供能通信网络的优化设计提供支撑。