论文部分内容阅读
近年来物联网迅速发展，各类低功耗节点呈现指数级增长。然而这些节点往往采用电池供能，整个网络的寿命受限于电池容量。无线能量传输技术的出现打破了这一瓶颈。无线能量传输是一种利用射频信号为设备进行无线充电的技术。采用这种技术可以为低功耗节点持续供电，避免节点因能量耗尽而设备失效。为物联网配置无线能量传输技术可以有效延长物联网生命周期，拓展应用范围。在将物联网与无线能量传输二者融合的过程中，本质上是将无线能量传输系统与无线通信系统二者合二为一，形成基于无线能量传输的通信系统。对基于无线能量传输的通信系统进行优化设计，最大程度发挥无线能量传输技术对原通信系统的提升作用，具有重要意义。
本文针对基于无线能量传输的通信系统，包括信能同传系统、基于信能同传的中继通信系统和接入点混合型基于无线供电的通信网络，以达到信息速率-能量收集功率区域边界、提升系统吞吐量与数据处理率、降低数据回传时延为目标，结合最优化、最优停止、动态规划等理论与方法，采用模型构建、参数优化、理论分析与仿真验证等手段开展了对基于无线能量传输的通信系统的优化设计研究。论文的创新性工作主要包括如下几个方面：
1)针对点对点信能同传系统，考虑信道测量所带来的开销，在有限信道增益测量样本的限制条件下描绘了概率密度函数的不确定性区间，并在不确定性区间上定义鲁棒中断容量作为信息速率的度量。继而在功率切割与时间切换两种常见工作模式下通过优化多天线的功率切割系数和时间切换比例达到鲁棒中断容量-能量收集功率区域的外边界，理论分析了功率切割和时间切换两种模式对应的鲁棒中断容量-能量收集功率区域形状，并证明了功率切割模式优于时间切换模式。最后仿真验证了分析结果的正确性和设计方案的有效性。
2)针对基于信能同传的中继通信系统，首先考虑中继节点能量收集器的输入-输出非线性特性的情况。分别在时间切换模式和功率切割模式下对连通每个中继节点通信链路的发射功率与带宽以及中继节点处的功率切割比例和时间切换比例进行优化，实现端到端吞吐量最大化。尽管原问题非凸，难以获得最优解。通过联合使用凸优化与双层优化，将原问题转化为单调优化问题，从而获得全局最优解。最后仿真验证了设计方案的有效性。
3)针对基于信能同传的中继通信系统，考虑中继节点配置全双工数字收发机的情况。在多天线时间切换模式下优化设计系统参数，以最大化端到端吞吐量为设计目标。尽管所研究的问题非凸，采用半定松弛与连续凸近似方法将原问题求解，并证明了所设计的解法可以收敛到稳定点并同时达到可行解，证实了算法的局部最优性与可行性。最后仿真验证了设计方案的有效性。
4)针对接入点混合型基于无线供电的通信网络，首先以最大化数据处理率为设计目标。在多衰落块场景中，面对未来衰落块信道增益的不确定性，基于所定义的统计量函数提出一步前瞻能量收集停止准则，证明了所提准则的最优性，通过一系列性质证明推导出用于数据上传的最佳衰落块个数的有界性。最后仿真验证了分析结果的正确性和设计方案的有效性。
5)针对接入点混合型基于无线供电的通信网络，以最小化多节点信息回传过程中的时延度量为设计目标。通过引入“信息年龄”这一全新时延度量，优化无线能量收集时间和各个节点接入带宽。为解决所提出的问题，组合使用双层优化与凸优化，发现与原问题等价问题的区间凸性，从而获得最优解。最后仿真验证了分析结果的正确性和设计方案的有效性。
本文针对基于无线能量传输的通信系统，包括信能同传系统、基于信能同传的中继通信系统和接入点混合型基于无线供电的通信网络，以达到信息速率-能量收集功率区域边界、提升系统吞吐量与数据处理率、降低数据回传时延为目标，结合最优化、最优停止、动态规划等理论与方法，采用模型构建、参数优化、理论分析与仿真验证等手段开展了对基于无线能量传输的通信系统的优化设计研究。论文的创新性工作主要包括如下几个方面：
1)针对点对点信能同传系统，考虑信道测量所带来的开销，在有限信道增益测量样本的限制条件下描绘了概率密度函数的不确定性区间，并在不确定性区间上定义鲁棒中断容量作为信息速率的度量。继而在功率切割与时间切换两种常见工作模式下通过优化多天线的功率切割系数和时间切换比例达到鲁棒中断容量-能量收集功率区域的外边界，理论分析了功率切割和时间切换两种模式对应的鲁棒中断容量-能量收集功率区域形状，并证明了功率切割模式优于时间切换模式。最后仿真验证了分析结果的正确性和设计方案的有效性。
2)针对基于信能同传的中继通信系统，首先考虑中继节点能量收集器的输入-输出非线性特性的情况。分别在时间切换模式和功率切割模式下对连通每个中继节点通信链路的发射功率与带宽以及中继节点处的功率切割比例和时间切换比例进行优化，实现端到端吞吐量最大化。尽管原问题非凸，难以获得最优解。通过联合使用凸优化与双层优化，将原问题转化为单调优化问题，从而获得全局最优解。最后仿真验证了设计方案的有效性。
3)针对基于信能同传的中继通信系统，考虑中继节点配置全双工数字收发机的情况。在多天线时间切换模式下优化设计系统参数，以最大化端到端吞吐量为设计目标。尽管所研究的问题非凸，采用半定松弛与连续凸近似方法将原问题求解，并证明了所设计的解法可以收敛到稳定点并同时达到可行解，证实了算法的局部最优性与可行性。最后仿真验证了设计方案的有效性。
4)针对接入点混合型基于无线供电的通信网络，首先以最大化数据处理率为设计目标。在多衰落块场景中，面对未来衰落块信道增益的不确定性，基于所定义的统计量函数提出一步前瞻能量收集停止准则，证明了所提准则的最优性，通过一系列性质证明推导出用于数据上传的最佳衰落块个数的有界性。最后仿真验证了分析结果的正确性和设计方案的有效性。
5)针对接入点混合型基于无线供电的通信网络，以最小化多节点信息回传过程中的时延度量为设计目标。通过引入“信息年龄”这一全新时延度量，优化无线能量收集时间和各个节点接入带宽。为解决所提出的问题，组合使用双层优化与凸优化，发现与原问题等价问题的区间凸性，从而获得最优解。最后仿真验证了分析结果的正确性和设计方案的有效性。