基于SWIPT的OFDM协作水声通信理论与技术研究

The limited energy of nodes is the bottleneck problem for the application and development of current real-time, high rate and high reliable underwater acoustic communication network. Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) is a novel, highly reliable and controllable wireless power transfer technology. It can realize the integrated optimization design for wireless information and power transmission as well as power management. Considering the underwater acoustic channel model based on the sparse tap delay line and absorption coefficient, this project intends to in-depth research the bit-error-rate (BER) performance and analyze the impact of the system parameters on the performance for the SWIPT based OFDM cooperative underwater acoustic communications. The research results are expected to lay a theoretical foundation for proposing the receiver design, relay selection, relay power allocation, and the joint optimization of relay selection and power allocation and then providing convenient and efficient wireless information and energy transmission and power management scheme for underwater acoustic communication network; thus, promoting the further development of underwater acoustic communication theory and technology. Therefore, the research results will consequentially have important theoretical significance and application value.

节点能量有限问题是制约当前实时、高速率、高可靠水声通信网络应用与发展的瓶颈问题。无线信息与能量同时传输（SWIPT）是一种新颖的、高可靠、高可控的无线能量传输技术，可实现无线信息传输、无线能量传输以及功率管理的一体化优化设计。本项目拟考虑基于稀疏抽头延时线与吸收因子的水声信道模型，对SWIPT-OFDM协作水声通信系统的误码率性能进行深入研究，分析系统参数对系统性能的影响。研究成果可望为提出适用于SWIPT-OFDM协作水声通信系统的接收机设计方案、中继选择方案、中继功率分配方案、以及中继选择与功率分配的联合优化方案、进而为水声通信网络提供便捷高效的无线信息与能量传输以及功率管理方案奠定理论基础，从而推动水声通信理论与技术的进一步发展，因此研究成果必将具有重要的理论意义和应用价值。

节点能量有限问题是制约当前实时、高速率、高可靠水声通信网络应用与发展的瓶颈问题。无线信息与能量同时传输（SWIPT）是一种新颖的、高可靠、高可控的无线能量传输技术，是解决当前水声通信网络能量受限瓶颈问题的有效技术。本项目主要研究SWIPT-OFDM协作水声通信系统的误码率性能，取得了一些重要成果，具体如下：1）推导了一种非线性能量收集模型下的收集能量的概率密度函数，在此基础上推导了基于差分调制的SWIPT协作通信系统误码率封闭的表达式，分析了分集增益与渐进性能，以及信道参数、功率分配因子等参数对系统性能的影响，这些理论成果能够较好地应用于SWIPT-OFDM协作水声通信系统的性能评估与分析中；2）提出了一系列SWIPT协作通信系统接收机方案与资源分配方案，显著提高了系统性能；3）提出了具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法与装置，可有效实现水下环境中的水声通信终端节点的能源补充，对解决水声通信系统能量有限问题具有重要的理论意义与实用参考价值。.由于水下环境的特殊性和复杂性，水声通信网络的节点通常采用能量有限的电池供电，一直面临着能量有限的巨大挑战。本项目所提出的具有无线能量收集能力的水声通信系统资源分配方法与装置，以及SWIPT协作通信系统接收机与资源分配方案，性能良好、算法简单，分别从供能（接收机设计）与节能（资源分配方案设计）的角度为水声通信系统能量有限问题提供了有效解决方案，除了具有较高的应用价值外，还可以为进一步开展水声通信及其它无线通信技术的相关研究提供重要参考，推动水声通信及相关无线通信技术的发展与应用。.依托本项目的开展，培养了硕博士毕业生4名，其中博士生1名、全日制硕士2名、在职硕士1名；完成了学术论文4篇，其中发表SCI学术论文1篇、EI论文1篇，2篇论文在审；申请了中国发明专利12件，其中6件已获授权，其余6件均已公开；申请PCT国际发明专利3件，其中2件已公开；此外尚有2篇论文正在整理中，即将投稿。