基于能量获取相关性的无线网络传输与能量管理机制研究

With the increase of telecommunication traffic requirement and the rise of internet of things (IoT), the deployment of wireless communication networks tends to be much denser. To reduce the energy consumption, as well as to enhance the flexibility of network planning, energy harvesting powered wireless transmission becomes one of the key technologies for future networks. However, the system performance is severely constrained by the randomness of energy arrival. With the three dimensional randomness including channel, traffic, and energy, network optimization is extremely complicated. This project aims to develop energy efficient transmission strategies by making use of energy harvesting correlations. The research contents include: (1) Analyze the capacity of wireless links based on the time correlation of energy harvesting. (2) Optimize the network deployment and coordinated transmission strategy based on the spatial correlation of energy harvesting. (3) Develop queuing management and caching mechanism based on the correlation between energy harvesting and traffic requirement. (4) Design dynamic energy management scheme for transceivers based on the correlation between energy harvesting and information transmission and reception. This project studies the randomness of energy arrival from a new point of view, i.e., correlations. The analytical results and proposed algorithms provides both theoretical and practical references for the application of dynamic energy harvesting in the wireless networks.

随着移动通信业务需求的增长和物联网的兴起，无线通信网络部署越来越密集。为了实现密集网络节能减排和灵活部署的目标，通过动态收集能量为无线设备供能，成为未来网络的一项关键技术。然而能量到达的随机性严重制约了系统的传输性能，且在信道、业务、能量三维随机性约束下的网络优化问题十分复杂。本项目利用能量获取所具有的相关性，研究提高动态能量利用率的传输机制和能量管理方法。内容包括：（1）基于能量获取的时间相关性，分析无线链路容量；（2）基于能量获取的空间相关性，优化网络部署和协同传输机制；（3）基于能量获取与业务需求的相关性，设计队列管理和数据缓存机制；（4）基于能量获取与信息收发的相关性，研究收发模块间的动态能量管理。本项目创新性地从相关性角度审视能量获取的随机性，理论结果和算法为动态能量获取技术在无线网络中的应用提供了理论依据和技术参考。

随着未来移动通信网络，特别是新兴物联网的发展，网络对于能量的需求越来越高，如何实现高能效通信与网络，受到越来越多的关注。事实上，能量的获取本身具有一定的时空相关性，而能量与业务之间也具有互相关性。本项目从能量自相关性和互相关性的角度出发，研究提升能量利用效率的无线传输机制和能量管理方法。主要内容和结果如下：.（1）基于时间相关性的能量管理与传输性能分析.分析了动态能量到达与信道衰落时间尺度对性能的影响，提出了一种低复杂度的两阶段动态规划算法，性能接近最优；分析了无线传输与边缘计算联合调度的信息时效性，计算了平均信息年龄的闭式解，得到了远端计算优于本地计算的条件。.（2）基于空间相关性的能量感知协同传输与数据采集方案.提出了基于空间相关性的协同状态估计强化学习算法，在有效提高状态预测准确性的同时，还节约了传感器节点的能耗；提出了以用户为主导的移动性管理策略，以及双基站协作传输方案，降低了用户切换次数和传输延时；提出了能量受限的无线传感网中无人机数据采集的最优飞行策略。.（3）面向实时性业务需求的信息时效性与能耗折中关系研究.分析了基于LDPC码与HARQ的信息年龄与能耗折中，结果显示截断HARQ-CC方案具有最佳的平均信息年龄和适中的平均能耗；分析了面向多播网络短包传输方案的平均年龄与能量效率折中，提出了求解最优编码长度的搜索算法；证明了信息年龄与能耗最优折中的感知、传输及休眠的两门限策略，求得了闭合表达式。.（4）基于能量获取与信息收发相关性的能量调度机制设计.研究了动态能量供给下协作中继半双工/全双工传输模式优化，提出了基于线性优化和动态规划的模式选择算法，接近最优性能；提出了部分自供电的非正交多址接入技术框架，得到了两用户系统的可达速率。.本项目发表期刊论文14篇，会议论文15篇。申请专利3项，其中授权1项。本项目揭示了能量与信息间的相互作用机理，具有重要的理论意义和工程指导价值。