数能一体化无线通信网络.pdf

中国科学: 信息科学 2016 年 第46 卷 第5 期: 591–609 评 述 数能一体化无线通信网络 杨鲲 于秦 冷甦鹏 张平 电子科技大学通信与信息工程学院, 成都 611731 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室, 北京 100876 * 通信作者. E-mail: yuqin@uestc.edu.cn 收稿日期: 2015–12–09; 接受日期: 2016–01–28 摘要 本文介绍一种新型的数能一体化无线通信网络 (data and energy integrated communication net- works, DEINs), 它将传统的无线网络中相互独立的无线信息传输(wireless information transfer, WIT) 和 无线能量传输 (wireless energy transfer, WET) 融合起来, 实现数据和能量的协作同传. 传统的无线携 能通信(simultaneous wireless information and power transfer, SWIPT) 侧重在物理层进行, 本文所提出的 数能一体化网络则强调系统性, 在网络各层设计并实现相应的协议和资源分配. 与其他再生能源如 风能太阳能等不同, 数能一体化网络DEINs 中的能量源, 即基站的射频(RF) 信号, 不受自然环境的 影响, 而且完全可控. 数能一体化网络在解决无线通信系统的能效问题、实现无线通信的节能减排方 面具有巨大的潜力. 本文从两个方面阐述所提出的数能一体化网络: 能量和网络. 在能量方面, 本文 介绍并分析了数能一体化网络的能量编码、能量模型、能量管理等. 在数据网络方面, 本文对数能一 体化网络的各层讨论了几种核心技术, 包括物理层、数据链路层协议及联合资源分配、网络层以及 数能一体化网络的典型网络应用场景. 在各层的介绍中, 本文着重于新方向的讨论, 而非现有研究工 作的简单重述. 最后, 本文对该领域未来的发展趋势和研究方向作了总结和展望. 关键词 数能一体化网络 携能通信 能量收集 能量管理 资源分配 引言 [1] 随着无线通信技术的迅猛发展 能量消耗问题日益突出 传统无线通信系统的设备耗能主要依 赖于可充电的或可更换的电池加以解决 花费较大且设备本身移动性受限 本文提出一种新型的数能 一体化无线通信网络 将传统的无线网 络中相互独立的无线信息传输 和无线能量传输 融合起来 实现数据和能量的协作同传 传统的无线携能通信 侧重在物理层进行 本文所提出的数能一体化网络则强调系 统性 在网络各层设计并实现相应的协议和资源分配 引用格式 杨鲲, 于秦, 冷甦鹏, 等. 数能一体化无线通信网络. 中国科学: 信息科学, 2016, 46: 591–609, doi: 10.1360/N112015-00304 中国科学》杂志社 ⃝ 《 杨鲲等: 数能一体化无线通信网络 数能一体化无线通信系统打破了传统的能量供应模式 系统设备通过能量收集 模块从自身所处环境获取可能的无限能源供应 有巨大的潜力实现无线通信能效问题的解决 使 [2] 得网络寿命取决于硬件设备而非能量存储 且减少了更换电池的昂贵代价和环境危害 数据和能量一体化无线通信网络 简称数能一体化无线通信网络 是一种新型的绿色网络 不仅 [3] 可以通过能量自供给自我延长网络生命周期 还能减少能源浪费和通信碳足迹 技术的能量来 源不仅包括周围环境的大多数自然能源 如太阳能、光能、风能、热能、化学能等 还可以将