无线信息与能量同传系统中的传输理论与方法研究

The recent advance in radio frequency (RF) or magnetic resonance coupling enabled wireless energy transfer technology provides an attractive solution named wireless powered communication, where the wireless devices are powered by wireless power transmitter. Wireless powered communication opens up the potential to build a network with larger throughput and longer lifetime. However, the combination of wireless energy and information transmissions also raises many new research problems to be addressed. How to achieve the tradeoff for maximal information rate versus energy transfer by precoding, interference management and cooperative transmission is an open problem in wireless powered communication. In this project, we attempt to pursue a unified study on wireless information transfer and wireless power transfer in wireless powered communication systems. Specifically, we will investigate: 1. Beamforming, power control and link adaptation to achieve the tradeoff for maximal information rate versus energy transfer in multiuser magnetic MIMO systems and backscatter communication systems. 2. Interference management based on transmit precoding and opportunistic energy harvesting and information decoding in wireless powered communication networks. 3. Resource allocation and cooperative transmission in two-hop relay systems in which relays are powered by RF signals. Specifically, we will study the resource allocation scheme for maximizing the ergodic capacity under causal constraints of power and data on relays.

无线能量传输技术为给低功耗节点提供持续稳定的能量提供了新的解决方案。然而，能量流和信息流的同时存在也给系统的设计优化提出了新的挑战。提高节点的能量传输/采集/使用效率，获得能量传输效率和数据传输速率的最佳折中，是无线信息与能量同传系统亟待解决的问题。本项目围绕无线信能同传系统的传输理论与方法展开研究，从预编码设计，干扰管理和节点协作三方面入手，研究在多天线多用户系统中能获得能量传输效率和信息传输速率最佳折中的波束成形、功率控制和链路自适应方法；研究基于发射机的预编码设计和接收机的机会性能量采集和数据接收的干扰管理方法，降低数据接收机受到的干扰和提高能量接收机的能量采集效率；研究中继节点的能量获取、使用的联合优化方法以及节点间的数据协作和能量协作方法，提高系统的能量采集/使用效率和数据传输速率。通过以上三方面的研究，实现能量的按需分配和合理利用，提高网络的频谱效率和功率效率。

无线能量传输技术为给低功耗节点提供持续稳定的能量提供了新的解决方案。然而，能量流和信息流的同时存在也给系统的设计优化提出了新的挑战。提高节点的能量传输/采集/使用效率，获得能量传输效率和数据传输速率的最佳折中，是无线信息与能量同传系统亟待解决的问题。为提高能量传输效率，本项目提出多用户磁谐振MIMO能量传输系统中的信道估计方法和能对抗信道估计误差的鲁棒的发送线圈电流调整方法。并基于这些算法搭建了系统原型，能在10cm范围内获得较高的能量传输效率。在利用无线能量充电的通信网络中，低功耗节点或中继需要利用采集的能量传输数据。我们考虑了两类系统模型：中继节点进行无线充电和数据转发，C-RAN系统中的终端进行无线充电和数据发送。我们提出了在中继系统中，最大化平均吞吐量的资源分配方案以及在C-RAN构架下，最小化传输时延的资源分配方案。通过对发送参数的优化，可以有效提高采集能量的利用效率。在信能同传的多用户系统中，不同用户有不同的服务需求。我们分别研究了在OFDMA和TDMA系统中，使系统的能量采集效率和传输速率达到最佳折中的资源分配和调度方案。研究结果揭示了各种发送参数、协作方法、调度方法对能量采集效率和速率的影响。通过利用凸优化、强化学习等方法对上述参数进行优化，可以使信能同传系统获得能量传输效率和数据传输速率的最佳折中。