可充电无线协作中继网络的充电-中继策略与资源分配机制研究

Rechargeable cooperative relay networks, as a type of emerging wireless networks in which network nodes can harvest energy from ambient sources such as solar or radio-frequency (RF) signals, can alleviate effectively the restriction on network operations due to limited battery energy. However, which kind of energy to be chosen for charging network nodes, what kind of relaying protocols relay nodes should choose for forwarding the source information, and how to efficiently allocate network resources based on the energy replenishment process remain key problems to be addressed urgently. To solve these problems, by integrating the existing energy replenishment strategies, and simultaneous wireless information and energy transfer technology, we will first propose several new harvesting-relaying protocols and analyze the performance so as to address the energy replenishment and relaying problem for rechargeable cooperative relay networks; then on the basis of these harvesting-relaying protocols, we will establish several models for network throughput maximization by considering the energy replenishment profile which is unknown in advance, and propose the corresponding online and offline resource allocation algorithms over a finite number of transmission intervals in order to solve the joint relay selection and power allocation problem for rechargeable cooperative relay networks. Furthermore, we will study the convergence of these algorithms and the stability of networks on the basis of optimization theory and stability theory, and analyze the validity of the proposed harvesting-relaying protocols and resource allocation algorithms.

可充电协作中继网络作为一种新兴的通过获取环境能源(如太阳能)、无线射频能量为节点充电的无线网络，克服了有限的电池电量对网络操作的限制。然而，选择何种能源为节点充电以及此时中继节点采用何种中继策略转发源节点的数据、如何基于节点的能量补充过程有效地分配网络资源仍是亟待解决的问题。为此，本项目拟融合现有的基于环境能源、基于无线射频的能量补充策略、以及能量和无线信息同步传递技术，构建协作中继网络新的充电-中继策略，并进行策略性能分析，从而解决网络的能量补充及信息中继问题；基于所提充电-中继策略并考虑节点能量补充量事先未知的特性，构建典型可充电协作中继网络的吞吐量最大化模型，并通过最优化理论、博弈论等给出实时的资源分配算法及有限时间内的离线算法，从而解决网络的功率分配及中继选择问题。同时，基于最优化和稳定性理论研究所提出算法的收敛性和网络的稳定性，且通过数值仿真分析所提充电-中继策略及算法的有效性。

本项目针对无线移动节点电池续航时间短、电量消耗快的问题，研究可充电中继协作网络中无线可充电移动节点的能量补充、中继选择与信息中继、以及网络资源分配问题。首先，基于现有的环境能源(如太阳能)以及无线射频能量补充技术，本项目研究了具有混合无线能量补充能力的中继协作网络。在此网络中，源节点从环境能源中获取能量，而中继节点利用同步能量与信息获取技术(SWIPT)从源节点的射频信号中获取能量与信息。基于用户能量获取量实时已知与未知的情况，本项目研究了源用户的中继选择、中继节点的充电策略、中继策略、以及网络的功率分配问题。其次，本项目首次将SWIPT技术应用与无线聚类传感器网络，首次提出能量受限的中继节点通过获取簇头的无线射频(RF)能量为自身充电并为源节点转发数据的充电-中继策略。为充分利用中继节点获取的能量，我们通过刻画能量有效的资源分配模型，并利用分数优化及对偶分解，提出了一个分布式功率分配，充电系数选择及中继选择算法。再次，对于具有多个源节点与一个可充电中继节点的协作网络，本项目研究了网络的资源分配与接入控制问题。我们首先基于源节点的服务需求、中继节点的能源获取量等研究了网络的载波分配、功率分配、以及中继节点的充电系数选择问题。而后，鉴于网络资源有限以及节点能源获取量有限的事实，在综合考虑源节点服务需求、为中继节点供电能力、源节点优先度等因素的基础上，本项目利用模糊逻辑的理论研究了源节点的网络接入控制问题。最后，由于无线能量补充，无线移动用户的信息容易被窃取。鉴于此，对于具有单个主用户、多个认知用户的可充电认知中继网络，本项目研究了网络的安全资源分配问题。其中，为提高网络性能，我们假设中继节点配备极化天线，从而其可同时为自身与主用户传输信息，且所传信息可以作为干扰信号提高其自身与主用户信息安全性能。同时，本项目亦研究了相关网络的稳定性问题，从而为研究可充电网络的稳定性打下基础。