面向无线电力传输的宽带通信网络布局优化和充电控制关键技术研究

Recent advances in wireless power transfer (WPT) technology based on radio frequency radiation provide a cost-effective solution to charge wireless devices remotely. The applications of WPT to communication networks could largely improve upon the conventional battery-powered methods in the operating cost, energy outage frequency and the information transmission performance. However, the major differences between information and energy transmissions require the conventional wireless communication network to be redesigned to embrace WPT technology in future wireless powered communication networks (WPCNs). In this project, we study two important yet interconnected problems to the successful deployment of WPCN. On one hand, we will apply convex optimization theory to investigate the optimal locations of power beacons (PBs, used for supplying wireless power) and information access points (APs, used for collecting data) in a WPCN under different application scenarios. On the other hand, given the optimal locations of PBs and APs, we apply optimal stopping theory to study optimal wireless power charging control methods to combat frequency-selective fading channel. In addition, we will also study efficient distributed charging control methods to reduce the signaling overhead and communication delay when charging control is applied to large-scale wireless networks. The successful completion of this project will contribute to the future deployment of WPCN in a new and effective way, which has extensive applications in large-scale wireless systems, such as wireless sensor networks (WSNs) and internet of things (IoT) networks.

新兴的无线电力传输技术利用电磁波的辐射特性，能够对远程无线设备进行持续有效的电力供给。相比于常规的电池供电方法，无线充电技术在无线通信网络的应用可以大大降低运营开支、减少通信中断概率和提高整体网络性能。然而无线电力和信息在传输技术上的明显差异导致常规通信网络中众多关键技术在引入无线电力传输之后需要重新设计和优化。为此，本项目的具体目标是研究基于无线电力传输的宽带通信网络中布局优化和充电控制等关键技术。具体研究内容包括：建模电力传输和信息接入节点的布局优化问题，并在多种应用场景下使用凸优化理论提出有效的最优解算法；运用最优停止理论对电力传输功率控制进行建模分析，并设计高效的功控协议对抗频率选择性信道衰落；设计有效的分布式功控算法来减小充电控制在大规模网络中应用引起的高信令开销和时延等问题。本项目的成功开展将对无线充电技术在传感网络和物联网等无线通信网络中的广泛应用提供重要的理论和技术支撑。

物联网是下一代无线通信网络中的重要组成部分。当前物联网技术所面对的一个重要难题是如何低成本地为海量的物联网设备进行持续供电。近年来无线充电技术在无线通信网络的引入催生了无线携能通信技术，该技术的应用将大大降低运营开支、减少通信中断概率和提高整体网络性能。然而无线电力和信息在传输技术上的明显差异导致常规通信网络中众多关键技术在引入无线电力传输之后需要重新设计和优化。立项之初无线携能通信研究领域存在着理论匮乏，关键组网机制不明确的技术问题，大大地限制了这一重要技术的推广和应用。为此，本项目的具体目标是研究基于无线电力传输的宽带通信网络中布局优化和充电控制等关键技术，力图推进相关领域的基础理论发展。..具体而言，本项目首先研究了电力传输和信息接入节点的布局优化问题，并在多种应用场景下使用凸优化理论提出有效的最优解算法；在布局优化的基础上，本项目研究了在短期信道变化的情况下无线携能通信网络寿命的基本理论，推导了基于无线充电技术的通信网络寿命公式；进而考虑了传感器网络中能量和信息融合传输的场景，在无线传感器网络的场景下提出了分布式的联合信息和能量调度算法；同时，本项目还针对无线携能通信网络中固有的用户公平性问题，研究了在不同应用场合下的用户协作机制；此外，本项目还创新地将能量信息传输和计算相结合提出了基于无线供能的边缘计算技术，并联合优化了系统的资源分配和计算卸载的问题，大大提高了传统边缘计算网络的计算性能。..本项目先后从布局优化、充电理论、分布式充电算法、信息和能量联合传输调度、用户协作机制、能量信息计算融合等各个方面全方位地研究了提升无线携能通信网络性能的方法。研究成果对多用户环境下的无线携能网络中的信息和能量联合传输理论产生重要贡献，弥补当前基于无线供电的传感网络中组网机制研究的短板，并促进无线携能通信技术在传感器网络中的应用推广。