无线供电通信系统理论与关键技术研究

The wireless power transfer technique provides an effective and feasible solution to tackle the issue of prolonging the operational life-time of current mobile devices as well as the challenging problem of simultaneously powering huge number of wireless devices in internet of things network or large-scale wireless sensor network, hence has the potential of becoming one of the key candidate techniques for future wireless communication systems. Therefore, how to integrate the feature of MPT into the wireless communication systems, to build an efficient wirelessly powered communications (WPC) systems, has received considerable attentions recently. Motivated by this, this project focuses on a novel WPC model with independent power beacons, and addresses both fundamental theoretical and practical issues for the realization of WPC systems. We start with typical WPC channel models, and establish a theoretical framework for the tradeoff relationship between the information transfer efficiency and energy transfer efficiency. Then, we seek efficient transmission schemes as well as low complexity user scheduling and resource allocation strategies. Meanwhile, we design new WPC architectures to meet the heterogeneous feature of future wireless communication systems. The final outcome of the project will provide a complete transmission solution for the WPC systems, which shall promote the wide development and implementation of WPC systems in future wireless communications systems.

无线能量传输技术为解决移动终端续航时间瓶颈问题和物联网以及大规模无线传感器网络中海量通信节点的供能问题提供了一个可行的有效解决方案，有望成为构建未来无线通信系统的关键候选技术。因此，如何把无线能量传输与无线通信系统有效融合起来，构建一个高效的基于无线供电的通信系统（Wirelessly Powered Communications，WPC），正得到国际上越来越广泛的关注。鉴于此，本项目将针对基于独立供电站的WPC系统模型开展相关基础理论与关键技术研究。首先，从典型WPC系统信道模型出发，建立信息传输效率和能量传输效率折中关系的理论框架；其次，探寻高效的WPC系统传输方案，以及低复杂度的用户调度和资源分配策略；同时针对未来网络异构化趋势，设计相匹配的WPC网络架构；力争形成比较完整的WPC系统传输技术方案，推动WPC系统在未来无线通信系统中的广泛应用。

无线供电通信是未来无源传感网络的关键使能技术，具有重要理论价值和应用前景。本项目针对基于独立供电站无线供电通信系统模型，从多天线无线供电站的能量传输效率入手，研究了典型多天线无线供电通信系统在实际传播环境下的可达容量，揭示了系统关键参数如信道相关性、信道状态信息、莱斯因子、电路损耗等影响系统性能的机理。在此基础上，设计了高效的多天线协同无线供电传输方案，提出了联合信息波束、能量波束和时分因子等参数的低复杂度优化算法。最后，研究了无线能量传输与超低功耗的反向散射通信机制的有机结合，推动无源物联网进展。经过为期四年的努力工作，圆满完成了申请书中既定的研究目标，共发表IEEE期刊论文10篇，国内期刊论文1篇，发表的国际期刊包括IEEE TWC, TCOM, TVT, CL等；EI论文5篇，其中IEEE国际会议2篇；授权技术发明专利5项。成果数量超过了申请书预期“发表学术论文10篇，其中SCI论文5篇以上；申请相关发明专利3-5项”的预定目标。研究成果获得了IEEE International Conference on Communications in China 2018最佳论文奖（该论文与项目组合作成员黄凯斌教授合作）、SigTelCom 2017最佳论文奖（该论文与项目组合作成员郑淦教授合作）。同时，“高效无线携能通信理论与方法”获2017年度中国电子学会自然科学二等奖，“信息和能量的信道共享协同传输理论与方法”获2018年度教育部自然科学二等奖。项目较好的发挥了国家自然科学基金在人才培育方面的重要作用。项目执行期间，项目负责人钟财军获得了国家自然科学基金委优秀青年基金资助。此外，依托本项目的研究，课题组培养博士研究生5名，已毕业3名。培养硕士研究生6名，已毕业3名，其中一篇博士学位论文获浙江省优秀博士学位论文提名，一篇硕士学位论文获浙江省优秀硕士学位论文。项目执行期间，项目负责人钟财军担任了IEEE TWC，IEEE CL，Science China: Information Science和China Communications等SCI期刊编委，以及IEEE Globecom等知名国际会议的分会共同主席。