基于无线能量收获的高能效物联网无线传输关键技术研究

The rapid growth of IoT networks in terms of business scale and data traffic, causes severe challenges for wireless communication technologies. The limited lifetime of battery-powered IoT devices becomes a bottleneck that restricts the network performance. Therefore, how to improve the energy efficiency and prolong the lifetime is a critical issue. Meanwhile, the delay QoS requirements of various IoT applications are diverse. Thus, for the IoT network design, it is much urgent to explore the effective techniques, which could not only guarantee the QoS requirements and energy sustainability, but also improve the network energy efficiency. Radio frequency (RF) based energy harvesting technology is an emerging solution, which wirelessly powers the IoT devices via the RF signals. In this proposal, we explore the theoretical transmission capability limit of the RF energy harvesting based IoT networks, and propose the energy efficient transmission techniques and resource allocation policy under the delay QoS requirements. From the point of theoretical transmission limit, the goal of this proposal is to analyze the tradeoff between the transmission delay and energy efficiency and explore the transmission capability for the IoT applications. From the point of resource allocation, the proposal aims to integrate the available network resource, incorporate the energy transfer and information transmission, and design the energy-efficient transmission schemes, which could simultaneously meet with the delay requirements and energy sustainability.

物联网的产业规模和数据流量的快速增长，对无线通信技术提出了严峻的挑战。电池供电的物联网终端有限的存活时间成为了制约无线传输能力的一个重要瓶颈，如何提升能量利用效率、延长使用寿命尤为关键。此外不同的物联网业务的传输时延QoS要求也不尽相同。物联网通信系统设计亟需有效的技术方法，在满足多样性的传输业务要求的同时，提升网络能效，实现能量可持续的无线传输。无线能量收获技术利用射频信号完成能量补给，是一种重要的实现途径。本课题拟重点研究基于无线能量收获的物联网无线传输系统的性能理论极限，以及满足业务时延约束的高能效无线传输方法与资源分配机制设计。预期通过本课题的研究工作，从网络性能理论限的角度，能够分析时延-能量效率之间的折中置换关系,探究网络的业务承载能力。从网络资源适配的角度，能够整合可用网络资源，协调能量供给和信息传输，设计能够同时满足能量可持续和传输业务要求的高能效传输机制。

物联网新型应用、数据流量、产业规模的快速发展，给物联网无线通信技术带来了巨大的挑战和机遇。设计能应对海量数据流量、多样化的新型应用与有限网络资源之间的矛盾，突破物联网承载能力瓶颈的新型网络架构、高效传输机制、业务资源适配方法，以保障异构业务性能需求，是物联网通信技术研究的关键目标和核心内容。.本项目从系统融合建模、理论极限分析和传输机制方法三个层次，重点研究基于无线能量收获的高能效物联网无线通信系统的性能理论极限，以及满足业务时延约束的高能效无线传输方法与资源分配机制设计。首先，针对存储辅助的无线能量收获物联网系统，分析数据缓存和能量存储在提升网络传输方面的潜在价值，优化设计自适应传输调度机制，揭示了传输时延、能量消耗、频谱效率性能理论极限及相互之间的折中置换关系。其次，为应对无线能量收获网络双重远近效应带来的网络公平性问题，提出了一种面向公平性的非正交多址的数能同传框架，其能实现无线信息传输与无线能量传输能自适应地同时接入无线信道。最后，以信息年龄作为计算业务时效性指标，提出了一种基于深度强化学习算法的信息新鲜度感知的无人机辅助的边缘计算网络路径规划与资源分配策略。依托本项目，共发表学术论文8篇，申请发明专利2项，其中发表在IEEE ICCCS 2022的论文荣获最佳学生论文奖。.本项目的研究成果，为应对物联网不断涌现的新型应用，急剧增长的移动数据流量，与有限贫乏的网络资源之间的矛盾提供可行的解决方案，为物联网通信系统网络架构、传输机制、资源分配设计以及可达传输性能提供严谨的理论指导，并推动物联网产业与应用的发展。.