无线数据与能量同时传输网络的若干关键技术研究

To remotely and wirelessly charge the built-in batteries of massive low-power consumption wireless terminals, such as radio-frequency identification (RFID) tags and sensor nodes, this project studies the key techniques of simultaneous wireless data and power transfer networks with low-power consumption, by comprehensively exploiting both techniques of power beacon based wireless power transfer and energy harvesting from ambient natural environment. More specifically, at first this project devises new methods to improve the power transfer efficiency from a power beacon to several wireless terminals, by using the theory of extreme order statistics. Then, new algorithms to efficiently deploy power beacons into large-scale wireless networks and to optimize network performance are developed, by exploiting the theories of iterated tessellation and of Delaunay triangulation in the field of stochastic geometry. Afterwards, several new architectures of wireless receiver are invented to simultaneously decode received data and harvest energy, and new algorithms to adaptively switch between the aforementioned power transfer and energy harvesting techniques are developed, according to various data traffic models. Finally, with the hardware development kit distributed by the Powercast Corp., USA, a demo RFID network is established, on which all the newly devised techniques in this project are validated. As a result, the theoretical outputs of this project will offer original innovation to the simultaneous wireless data and power transfer networks, and the technical transfer of the corresponding patents and demo system will benefit upgrading China's electronic information industry.

为了对海量的低功耗通信终端（例如，射频识别(RFID)标签和传感器节点）的内置电池进行远距离无线充电，本项目综合利用基于电塔的无线能量传输技术和从终端周围自然环境中射频信号进行能量收集的技术，对支持无线数据与能量同时传输的低功耗通信网络的关键技术进行研究。首先，本项目利用极端顺序统计量理论来设计提高无线能量传输效率的新方法；其次，基于随机几何的迭代镶嵌理论和Delaunay三角网格理论，针对大规模网络开发高效的电塔布置和网络性能优化算法；然后，设计新型的数据与能量混合接收机、并根据不同数据业务模型开发在前述能量传输和能量收集技术之间的自适应切换算法；最后，利用美国Powercast公司发布的硬件开发工具来开发一个基于RFID网络的原型试验系统。本项目的理论成果将实现无线数据与能量同时传输网络的源头创新，相关发明专利和原型系统将会通过快速成果转化来推动我国电子信息产业的升级换代。

本项目针对无线数据与能量同时传输网络的若干关键技术展开研究，具体研究内容包括：设计能够提高远场无线能量传输效率的新方法；设计支持无线数据与能量同时传输的高效节点布置与网络性能优化算法；设计新型数据/能量混合接收机；开发原型系统并进行性能测试与分析。经过四年的艰苦努力，项目组在以下三个方面取得了显著进展：..1）提出了一种能够准确表征射频-直流能量转化效率的非线性能量收集模型，并进行了原型接收机的设计与开发。基于该模型，我们进行了发射信号最优化设计并开发出新型能量接收机；该接收机具有较高的接收功率灵敏度，较宽的输入功率范围以及极高的整流效率。该模型目前已经成为本领域的主要参考模型。根据Google Scholar的统计显示，该模型至今已经被引用81次；相关能量接收机设计获得三项已授权发明专利；相关成果可以广泛应用在低功耗终端设备中。..2）开发了一系列面向大规模终端应用的智能无线数据与能量同时传输技术。具体包括：海量终端活跃性检测方法；基于集中式大规模MIMO、面向云接入网络、以及分布式大规模MIMO的低复杂度一阶波束成形设计；以及一种基于无人车的反向散射通信。我们还设计了随机接入信号检测、中继系统的信号处理、无线能量分配方法等多项专利技术。这些设计和发明专利能够极大地促进大规模无线数据与能量同时传输技术的应用。..3）为了进一步提高无线数据与能量同时传输的效率，提出了基于Poisson-Delaunay三角化原理的协作多点传输新技术。我们从几何原理到算法设计再到频率规划等工程实施方案，进行了一系列的原始创新和系统性设计；开发的技术可以有效提高网络的覆盖率和能量效率。..总的来说，项目组圆满完成了既定研究任务，并开展了相关延伸课题的初步研究。项目主要成果包括19篇期刊论文，其中16篇发表在IEEE Transactions系列期刊上，一篇发表在《中国科学：信息科学》上；获得授权发明专利6项 ；培养博士后1人、博士生4人、硕士生4人和国内访问学者4人。