射频供电物联网的能量分配与终端调度技术研究

As an integrated part of Future Internet, the Internet of things (IoT) is endowed with remarkable economic benefits and promising application scenarios. However, the network lifetime and energy-efficiency are the key issues to be taken into account in the deployment of the IoT. With the purpose of extending the network lifetime and reducing the total energy consumption, this research introduces the radio frequency (RF) energy harvesting technique into the design of the IoT. Based on the network information theory and rate-distortion theory, we aim to establish the information-theoretic bases of the RF powered IoT, and the optimization framework of the power allocation derived from the theoretical bases. Furthermore, in order to reduce the complexity of the RF powered IoT, this research establishes the proper terminal scheduling criterion and formulates the optimization of terminal scheduling. After that, we propose several power allocation algorithms and terminal scheduling strategies by solving the formulated optimization problems through mathematical tools. Finally, the performance of the proposed algorithms and strategies is evaluated by simulations as well as field testing. The results of this research will drive the development of the RF powered networking, and will have significant impacts on both the theoretical work and practical applications in the framework of RF powered networking.

物联网作为未来因特网的核心构件，蕴含着巨大的经济价值和广阔的应用前景。长网络生命周期和低能耗是成功部署物联网的关键。为了延长网络生命周期并降低能耗，本研究拟将无线射频供电技术引入物联网中，并基于网络信息论和率失真理论，完善射频供电物联网的理论体系；然后从理论体系出发，建立能量分配的优化理论框架。为了降低网络复杂度，拟建立合理的终端调度准则和基于此准则的终端调度优化模型；再利用优化工具解决建模的优化问题，以提出能量分配算法和终端调度方案。最后，分别设计仿真实验平台和实际测试的原型系统，对提出的算法进行建模分析与性能评价。本研究的结果将进一步推动射频供电网络的发展，形成的传输率-失真度和信道容量-能量理论，以及能量分配和终端调度技术，在射频供电网络应用中具有较为深远的意义。

本课题按照预期计划，围绕基于能量采集的多终端物联网的理论建模、能量分配以及终端调度三个方面展开，在多终端网络的传输率-失真度函数、动态能量源下的网络容量、和物理层传输技术方面取得了突破性的成果。发表和录用会议、期刊论文9篇。其中通信领域顶级期刊1篇，以及国际会议论文6篇，共3篇论文被SCI收录，1篇论文获得IEEE/ACM IWQoS 2020国际会议最佳论文亚军奖。我们的具体成果包括：以网络信息论中的首席执行官问题为框架，推导证明了二进制信源分布下的多终端物联网的传输率-失真度函数，给出了该函数的外确界，该界限与Berger-Tung内确界几乎重合，显示该分析的准确性；在以能量获取方式为主的反射通信物联网下，我们分析了能量源不确定性给系统性能带来的影响，推导了信道容量函数，通过定量分析，我们发现能量源的不确定性是整个系统性能的瓶颈；为了解决该瓶颈问题，我们设计了自适应的编码策略，通过所建立的优化模型，获得最优码率，从而能够抵抗能量源的不确定性给系统带来的不可靠问题，通过自主设计的原型系统平台测评，我们提出的方案较传统方案获得了很大的性能提升，能达到710kbps的网络吞吐量；此外，我们基于Slepian-Wolf理论，分析了能量获取的中继网络的中断概率，并基于中断概率函数，提出了多个终端的调度与能量分配算法，较传统方案获得了很大的性能增益。