《電子技術(shù)應(yīng)用》
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信能同傳網(wǎng)絡(luò)中基于能量的中繼選擇方法研究
電子技術(shù)應(yīng)用
閆靜1，葉婷1，彭樂欽2，閆瑞瑞3
1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通航學(xué)院；2.西安航天動(dòng)力研究所； 3.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司呂梁供電公司
摘要： 針對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)能量受限的無線信能同傳中繼網(wǎng)絡(luò)，中繼節(jié)點(diǎn)可以從源節(jié)點(diǎn)的射頻信號(hào)補(bǔ)充能量，并采用中繼選擇的方法，來延長(zhǎng)中繼網(wǎng)絡(luò)的生命時(shí)間。首先，構(gòu)建了中繼網(wǎng)絡(luò)性能約束條件下的能量受限中繼節(jié)點(diǎn)處最小額外能量的優(yōu)化目標(biāo)，并將優(yōu)化目標(biāo)分為三個(gè)子問題進(jìn)行求解，提出了通過動(dòng)態(tài)調(diào)整功率分離因子來最優(yōu)化中繼節(jié)點(diǎn)處所需最小額外能量的方法；其次，通過仿真驗(yàn)證了所求出最優(yōu)功率分離因子的有效性；然后，基于中繼節(jié)點(diǎn)需要消耗的電池能量以及電池剩余能量，提出了兩種能量意識(shí)的中繼選擇方法，分別是最小損失能量策略和最小損失能量比率策略；最后，通過仿真表明，最小損失能量比率策略優(yōu)于最小損失能量策略，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存周期，并提升了系統(tǒng)性能。
中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245030
中文引用格式： 閆靜，葉婷，彭樂欽，等. 信能同傳網(wǎng)絡(luò)中基于能量的中繼選擇方法研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50(8)：71-75.
英文引用格式： Yan Jing，Ye Ting，Peng Leqin，et al. Research of relay selection based on energy for simultaneous wireless information and power transfer network[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(8)：71-75.
Research of relay selection based on energy for simultaneous wireless information and power transfer network
Yan Jing1，Ye Ting1，Peng Leqin2，Yan Ruirui3
1.College of General Aeronautics， Xi′an Aeronautical Polytechnic Institute； 2.Xi′an Aerospace Propulsion Institute； 3.Lvliang Power Supply Company， State Grid Shanxi Electric Power Company
Abstract： In a wireless signal-energy simultaneous relay network with limited energy at the relay node, the relay node can replenish its energy from the RF signal of the source node. A relay selection method is employed to prolong the lifespan of the relay network. Firstly, the optimization objective is conducted to minimize the additional energy at the energy-constrained relay node while considering the performance constraints of the relay network. This objective is divided into three sub-problems for resolution. A method is proposed to optimize the minimum additional energy needed at the relay node by dynamically adjusting the power separation factor. Secondly, the effectiveness of the optimal power separation factor is verified through simulation. Then, based on the battery energy consumed by the relay node and the remaining energy of the battery, two energy-conscious relay selection methods are proposed: the minimum loss energy strategy and the minimum loss energy ratio strategy. Finally, the simulation results show that the minimum energy loss ratio strategy is better than the minimum energy loss strategy. This approach prolongs the network lifetime and enhances system performance.
Key words : simultaneous wireless information and power transfer；relay network；radio frequency signal；relay selection；lifetime

引言

利用可持續(xù)能源為無線設(shè)備供電為實(shí)現(xiàn)綠色通信提供了一種新的解決辦法[1-3]。從射頻信號(hào)中收集能量為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電是一個(gè)研究熱點(diǎn)[4-6]。在無線中繼網(wǎng)絡(luò)中，中繼協(xié)作有助于提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率以及提高兩個(gè)遠(yuǎn)距離通信節(jié)點(diǎn)的傳輸可靠性[7-9]。傳統(tǒng)的無線中繼網(wǎng)絡(luò)中，中繼節(jié)點(diǎn)通常只配備有固定的能量供給，而且中繼節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)信息的過程當(dāng)中不斷消耗能量，所以其生命時(shí)間受到挑戰(zhàn)。為了延長(zhǎng)無線中繼網(wǎng)絡(luò)的生命時(shí)間，可以將信能同傳技術(shù)應(yīng)用到能量受限的無線中繼網(wǎng)絡(luò)中，把傳統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)更換為可以從源節(jié)點(diǎn)射頻信號(hào)收集能量的節(jié)點(diǎn)。

中繼節(jié)點(diǎn)在使用所收集能量的過程當(dāng)中還會(huì)有一些實(shí)際的限制條件。一方面，能量收集的轉(zhuǎn)換效率也只有10%~30%[10]，轉(zhuǎn)換效率依賴于轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。另一方面，一個(gè)單獨(dú)時(shí)隙收集到的能量非常小，收集能量的速度可能會(huì)小于能量消耗的速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠進(jìn)行信息傳輸，還需要固有電池電量的補(bǔ)充，從而導(dǎo)致某些中繼節(jié)點(diǎn)過早不存活而影響網(wǎng)絡(luò)的連通性。因此，本文試圖設(shè)計(jì)中繼選擇策略來延長(zhǎng)無線能量受限中繼網(wǎng)絡(luò)的生命時(shí)間。

為傳統(tǒng)中繼網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計(jì)的中繼選擇策略非常多。以前的中繼選擇協(xié)議傾向于選擇信道條件比較好的中繼節(jié)點(diǎn)作為協(xié)作中繼[11-13]，這種單一考慮信道狀態(tài)的中繼選擇策略可能會(huì)選出一個(gè)沒有充足能量用于傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致被選中的節(jié)點(diǎn)過早死亡而影響網(wǎng)絡(luò)的分集增益，所以這種方法不適用于中繼可進(jìn)行能量收集的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。唐菁敏等[14]研究了無人機(jī)中繼輔助的多用戶全雙工無線通信網(wǎng)絡(luò)，并提出了最大化最小平均速率的聯(lián)合資源優(yōu)化算法。

分析發(fā)現(xiàn)，上述研究?jī)?nèi)容沒有考慮中繼節(jié)點(diǎn)能量受限時(shí)的能量補(bǔ)給問題，本文研究了信能同傳中繼網(wǎng)絡(luò)能量意識(shí)中繼選擇方法。在信能同傳中繼網(wǎng)絡(luò)中，中繼節(jié)點(diǎn)通過初始的電池能量和從源節(jié)點(diǎn)射頻信號(hào)中收集的能量進(jìn)行供電。首先，提出了最小額外能量的優(yōu)化方法。然后，提出了兩種基于能量的中繼選擇策略，分別為最小損失能量策略以及最小損失能量比率策略，以延長(zhǎng)中繼網(wǎng)絡(luò)的生命時(shí)間。


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作者信息：

閆靜1，葉婷1，彭樂欽2，閆瑞瑞3

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通航學(xué)院，陜西 西安 710000；

2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710000；

3.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司呂梁供電公司，山西 呂梁 033000）


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