能量捕获无线网络运行规划与联合传输关键技术研究

Energy harvesting wireless network (EH-WN) is a kind of wireless network equipped with energy harvesting devices, which are expected to face several transformative challenges in energy harvesting modeling, system operational panning, wireless energy and information joint transmission, etc. From the perspective of practical application, this project is based on theoretical research, and studies the key technology of operational panning and joint transmission in energy harvesting wireless networks. The main research contents are as follows: (1) researching energy harvesting model in EH-WN, aiming at building energy harvesting model based on scenario generation, which this model does not need to set a probability distribution function in advance and makes the precision higher; (2) studying operational panning and optimization in EH-WN, with a aim to design the EH-WN operational panning based on the uncertain programming method and propose the optimal operation method to prolong the life cycle and improve the running stability of the system; (3) exploring wireless energy and information joint transmission mechanism, aiming at constructing the capacity-energy function which is used to describe and analysis the joint transmission characteristics of wireless energy and information, solving the equilibrium problem of EH-WN energy harvesting power and data transfer rate, realizing simultaneous wireless information and energy transfer and interaction between nodes in EH-WN and maintaining uninterrupted operation of the network. Through three experimental scenarios, this project will verify and analyze the feasibility, effectiveness, robustness and reliability of the designed energy harvesting model, operation plan and joint transmission mechanism. This project will provide valuable theoretical references and new technical means to promote the deployment and development of EH-WN, and has a high theoretical significance and application value.

能量捕获无线网络(EH-WN)是一种节点自带能量捕获装置的无线网络，面临着能量捕获模型构建、系统运行规划、无线能量与信息联合传输的均衡等挑战性问题。本项目从实际应用角度出发，以理论研究为基础，研究EH-WN运行规划与联合传输关键技术，研究内容包括：(1)EH-WN能量捕获模型研究，建立基于场景生成技术的能量捕获模型，摆脱先验概率分知识的约束，提高模型精准度，从而实现系统的高效运行；(2)EH-WN系统运行规划及优化策略研究，基于不确定规划方法，设计EH-WN规划运行方案，提出系统最优运行方法，从而延长系统生命周期，提高系统运行稳定性；(3)无线能量与信息联合传输机制研究，建立描述和分析无线能量与信息联合传输特性的系统容量-能量函数，求解无线能量捕获功率与数据传输速率的均衡问题，实现EH-WN中节点间能量与信息同步传输与交互，维持网络不间断运行。采取三种实验场景，对所设计的能量捕获模型、规划运行方案、联合传输机制的可行性、有效性、鲁棒性和可靠性进行实验验证和分析。项目研究将为推动 EH-WN 的部署与应用发展提供有价值的理论参考与新的技术手段，具有重要的理论意义和实际应用价值。

本项目从实际应用出发，以理论研究为基础，对能量收集（亦称能量捕获）无线网络(EH-WN)的能量收集模型、系统运行规划及优化策略、无线携能通信(SWIPT)传输机制等方面进行深入研究。研究成果主要体现在以下方面：. ⑴提出基于场景生成的能量收集网络模拟方法。该方法无需预设概率分布函数，使用最优消减技术生成单时段代表场景，利用时齐模拟退火算法生成日场景序列，能准确模拟EH-WN中能量获取的随机特性，为制定有效的系统运行方案提供支持。. ⑵提出基于能量收集可靠性的EH-WN系统规划方法及优化策略。建立了节点无电池和无限容量电池下的可靠性模型，设计出EH-WN节点的规划运行方案，较好地解决了输入不确定性所带来的系统规划难问题。该方法可延长系统生命周期，提高系统运行稳定性。. ⑶建立了overlay和underlay场景下的系统吞吐量优化模型，分别提出了能量与信息协方差矩阵最优解形式及最优时间分配系数的求解方法，并理论证明了求解模型解的最优性。. ⑷应用SWIPT技术，构建了无线供电通信网络系统的上行、下行两个阶段的网络模型，赋予其下行信息传输的能力，通过优化设计实现网络中各用户相对公平的性能最优。. ⑸提出多种基于SWIPT技术的传输全双工中继系统和传输机制优化策略，通过联合优化中继发射功率、中继发射波束成形向量和功率分配比率，提高了系统传输速率和吞吐量。. ⑹研究EH-WN中的物理层安全问题，提出几种基于SWIPT的安全波束成形方法，通过联合优化波束成形矩阵、人工噪声或能量噪声协方差矩阵和功率分配因子，最大化系统的安全速率，提高系统的安全传输能力。. ⑺提出适应于5G需求的边缘网络结构模型和权衡频谱效率与能耗管理的优化策略，解决了无线供电通信网络系统下能量收集阶段的无线能量信标优化部署以及下行阶段的能效优化问题。. 本项目的研究成果为EH-WN的应用部署、技术研究提供了理论依据，为SWIPT技术的应用提供新的研究思路和技术方法，为现有网络实现更高的资源复用和更可靠的系统自治提供技术支持，具有较强的研究意义、学术价值与应用价值。. 本项目培养博士生2名，硕士生9名。发表学术论文38篇，其中中文核心期刊19篇，被SCI收录2篇，EI收录20篇。承办国内学术会议2次，资助参加国内外学术会议35次。获得国家发明专利2件，软件著作权4件；撰写完成专著1部。