论文总字数：46712字

摘 要

现代无线通信网络中的节点常常因为电池的充电或更换较为困难，使用寿命受到了严重限制。于是人们开始关注从周围环境获取能量，然而太阳、风等能量来源并不稳定可靠，故基于射频信号的无线能量传输成为有效的解决方案。能量与信息同时传送是近年来无线通信的研究热点之一，可以架构在既有的无线通信系统之上，接收机获得的能量不再会作为无用的热量散失，网络中的节点也可以获得相对恒久的能量来源。

本文首先研究MIMO系统接入点与用户间下行能量与信息的同时传送，分为能量和信息接收机不是和是同一用户的两种情况，后者实际接收机的设计又分为时间切换和功率分裂两种方案，分别对发射策略进行优化，以实现最大信息速率和能量传输之间的权衡，用速率-能量区域的边界来描述。另外考虑到实际能量和信息接收机对接收功率的要求相差较大，提出基于接收机距离的发射方案，能量接收机位于接入点的近处，而信息接收机的距离较远。优化发射机能量和信息波束成形向量，在满足一定信噪比的条件下，使得能量接收机的加权总能量最大。最后对下行能量供能的上行信息传输进行研究，通过设计与调度上行信道估计、下行能量传输、上行信息传送三个阶段的时间和功率，优化多用户间波束成形的功率分配，来实现用户中上行最小速率的最大化。

关键词：MIMO系统；能量与信息同时传送；速率-能量权衡；能量波束成形；信道估计。

RESEARCH ON THE TECHNOLOGY OF SIMULTANEOUS WIRELESS INFORMATION AND POWER TRANSFER UNDER THE DENSE DISTRIBUTED NETWORK ARCHITECTURE

Abstract

It is hard to recharge or change the battery of a node in modern wireless communication systems in many cases, which limits its lifetime severely. Taking into consideration harvesting energy from ambient environment, common energy sources like solar and wind are not reliable. Conclusively, RF-based wireless power transfer becomes an efficient solution. Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) has been a hot issue over recent years, which can provide ever-lasting energy supplies and make use of the existing wireless communication system.

First, this paper focuses on the downlink SWIPT, which includes two cases as separated and co-located energy harvesting (EH) and information decoding (ID) receivers. In the latter case, there are two practical receiver designs as time switching and power splitting. Optimal transmission strategy is derived to achieve the tradeoffs for maximal information rate versus energy transfer, which are characterized by the boundary of a so-called rate-energy(R-E) region. Second, since EH and ID receivers have very different power requirements, a receiver-location-based transmission strategy is proposed (near EH receivers and far ID receivers). The weighted sum-power transferred to all EH receivers is maximized subject to given minimum SINR constraints at different ID receivers by designing the joint information and energy transmit beamforming. Third, the uplink wireless communication based on downlink energy transfer is studied. To maximize the minimum rate among all users, the time and energy splitting of uplink channel estimation, downlink wireless energy transfer and uplink wireless information transmission, as well as the energy allocation of beamforming is optimized.

Keywords: MIMO system, Simultaneous wireless information and power transfer, Rate-energy tradeoff, Energy beamforming, Channel estimation.

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究现状 1

1.3 研究内容 2

第二章 下行能量与信息的同时发送优化 4

2.1 简介 4

2.2 系统模型和问题形成 5

2.3 接收机相互分离 7

2.4 接收机位于一处 9

第三章 下行能量与信息的波束成形优化 15

3.1 简介 15

3.2系统模型和问题形成 16

3.3 优化问题的求解 18

3.4 仿真结果 20

第四章 基于下行能量的上行信息传送研究 23

4.1 简介 23

4.2系统模型和问题形成 24

4.2.1系统模型 24

4.2.2问题形成 26

4.3优化问题的求解 26

4.3.1不完全CSI的WET-MM系统 26

4.3.2理想情况和OP-MM系统 28

4.4 仿真结果 29

结论 32

致谢 33

参考文献 34

第一章 绪论

1.1 引言

能量限制的无线系统，如无线传感网络中的节点往往都是电池供电的。但在很多情况下，对耗尽电池的充电或更换时难以操作的，比如特殊环境中的监视器，智能器件，医疗系统和军事应用等，这使得相关研究舍弃性能，将优化能量消耗和电池寿命作为最重要的目标。而且现今的通信系统都有着严格的能量要求，今后航天事业的进一步发展也将被能量所限制。

于是近年来多种从环境中获取能量的方法受到关注，常见的来源有太阳能和风能，热电，振动激励等。但这些来源往往是不可靠且不可控的，与空间状况相关且随时间不断变化。射频(RF)能量传输则可以克服这些问题，成为可行的新能源。实际上，对无线能量传输(Wireless Power Transfer, WPT)或短距离无线充电的研究已有较长的历史，通过近场电磁感应或远场电磁辐射实现。

长期以来，无论通过有线还是无线方式，通信所需的电力仅仅被视为信息传输的载体，而非能量的来源。正如电力工程和通信工程通常被视为两个完全不同的领域。同样，之前基于WPT的研究与无线信息传输(Wireless Information Transfer, WIT)完全独立，因两者有着不同的研究目标，分别是达到能量传输效率和信息传输容量的最大化。但值得注意的是两者的设计对象可以统一，如果无线能量和信息能够同时传送(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT)，将不用分别架构WPT和WIT两个系统，接收机获得的能量不再会作为无用的能量散失，网络中的节点可以获得相对恒久的能量来源。

1.2 研究现状

近年来，远场无线能量传输(WET)作为有前景的技术兴起，意在解决无线网络中能量有限器件的寿命瓶颈。WET是指功率发射机通过辐射电磁(EM)波传送能量给功率接收机。由于EM波随着距离快速衰落，WET的实际实现中，EM波需要集中在一条窄的波束中来实现能量的有效传输，称为波束成形[1]。

无线能量和信息同时传输(SWIPT)在[1][2]中提出，这为移动用户同时提供数据和能量，带来了极大的便利，因此被广泛地研究。[3][1]分别研究了单输入单输出(single input single output, SISO)和多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)的SWIPT系统，并通过实际接收机的设计刻画了不同的可实现速率-能量(rate-energy, R-E)的权衡。由于实际的能量获取接收机还不能直接进行信息解码，[3]对两个接收机分离、为同一用户两种情况，以及后者实际接收机时间切换和功率分裂两种设计方案进行研究。[4]关注接收机功率分裂的方案，对发射能量和接收功率分裂比率，研究信息速率和获取能量的权衡。[5]则对时间切换进行进一步的研究，建立优先模式转换规则，接收机根据实时的信道增益和干扰能量在信息和能量接收模式间切换，以实现信息和能量供应之间的平衡。

[6]在衰落信道中对SWIPT进行研究，[7]-[10]研究正交频分复用(OFDM)系统，还有多用户信道如广播信道[11][12]，瑞利信道[13][14]，干扰信道[15][16]。其中[11]对信息和能量的波束成形向量分别进行优化，在保证信息接收机最小信噪比的情况下，使得传输给能量接收机的加权总能量最大。[17]研究了随机部署的功率发射台为用户无线充电，覆盖上行蜂窝网络的混合网络。[18]研究了认知网络中相似的架构，次级用户从附近的主用户处间歇地获取无线能量。

另一趋势关注用无线能量支持无线通信的研究，形成了无线供能通信网络(Wireless Powered Communication Network, WPCN)[19]。在WPCN中，多天线的接入点(Access Point, AP)通过下行波束成形传送能量给多个单天线用户，然后用户利用获取到的能量进行到AP的上行WIT。因存在信道传播损失，获取能量随着用户和AP间的距离呈指数衰减。故WPCN实际布设的挑战即为保证当用户只有下行WET唯一能量来源时，上行WIT可行。一些技术突破为WPCN实现提供了动力。首先，正在布设中的毫微微蜂窝基站等缩短了能量传输距离，减弱了信道衰落。其次，低功率电子器件减少了所需上行传输功率。第三，多用户并行的下行WET和上行WIT已在[20]中研究。最后，[21][22]中大规模天线阵列有成十上百的阵元用来形成极细的能量波束，使得WET效率接近1。

WPCN中，总时长分为下行WET和上行WIT。假设完全信道估计(CSI)，[23][24]研究了单用户情形。[19][25]研究了多用户WPCN，通过优化下行波束成形、上行发射能量和两者的时间分配等，使得用户中的最小吞吐量最大，实现用户间的公平性。然而，实际上完全的CSI是不可实现的，故AP需要首先进行信道估计(CE)。[26]研究了CE时间和功率的动态分配，[27]则通过优化波束成形向量和多用户间的功率分配、三个阶段的时间分配、用于CE和WIT的功率分配，使得多用户速率达到同一水平。

1.3 研究内容

本文的研究主要分为三个部分：

下行能量与信息的同时发送优化。同时传送时获取能量和信息吞吐量在某种层面上说是矛盾的，首先关注能量与信息传送的权衡，分为能量和信息的用户是否为同一用户两种情况，对发送端的发送策略进行设计。再者，同一用户中，由于电路的限制，接收机无法将解码完信息的信号作为能量，所以又衍生出了两种基本的接收机设计策略，时间切换和功率分裂，对于这两种不同的策略，需要进行重新的优化和分析，并进行对比。此部分将在第二章详述。

下行能量与信息的波束成形优化。由于信息和能量接收机对接收到的能量有不同数量级的要求，提出能量接收机距离接入点近、信息接收机较远的方案，对能量和信息的波束成形向量同时进行优化，在满足一定信噪比的条件限制下，使得各个能量接收机获取的加权总能量最大。由于发射的能量信号在信息接收机处未必可知，进一步研究信息接收机能与不能消除能量波束带来的干扰两种情况，对波束成形向量进行最优化的设计，并对两者获取能量的大小进行比较。此部分将在第三章详述。

基于下行能量的上行信息传送研究。更贴近现实的模型是基于下行货物的能量进行的上行信息传送，整个过程分为三个步骤，信道估计（本文中假设为上行信道估计），下行能量传送以及上行信息传送。一个时隙分为三个阶段，以最大化多用户中的最小速率为优化目标，通过设计与调度三个阶段的时间和功率，优化波束成形向量以及多用户间的功率分配，来实现上行速率的最大化，或者说可以使得用户间上行速率可以达到同一水平。此部分将在第四章详述。

第二章 下行能量与信息的同时发送优化

2.1 简介

图2-1 一个信息和能量同时传输的无线系统

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