多跳无线网络中携能传输关键技术研究

Energy-constrained node is a common problem of multi-hop wireless networks. Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) transmits information and powers wireless nodes with the same radio frequency signal, which can prolong the life time of the energy-constrained nodes. Current works of SWIPT focus on one-hop and two-hop wireless network. When SWIPT is applied in multi-hop wireless network, the energy harvested by the receiver node can be as a energy compensation for data forwarding, which can balance energy distribution. However, the allocation of information and energy and the route selection in multi-hop wireless network with SWIPT are interdependent, which is challenge. Therefore, this project studies the problem of SWIPT in multi-hop wireless network. First, based on the relationship between various resources and the goal of SWIPT, we formulate the SWIPT model in multi-hop network. Second, in the single flow, multiple flows and unstable networks, we study the effects and constrains between the end-to-end transmission, routing selection and the allocation of information and energy, and the effects and cost mechanisms between path selection strategy and multiple flows interference. We propose the single flow SWIPT routing, the interference-aware SWIPT routing and the robust SWIPT routing for optimizing resource allocation and routing selection and ensuring the high efficiency and robustness of end-to-end transmission. According to the proposed research, we will verify that SWIPT in multi-hop wireless network can break the limit of multi-hop wireless networks' life time, improve network availability and durability, and further expand the application scenarios.

节点能量受限是多跳无线网络存在的共性问题。无线携能传输利用同一个射频信号进行信息传输和能量补充，是延长节点生命周期的有效方法，当前研究主要集中在单跳和两跳无线网络。当携能传输应用到多跳无线网络，节点可将收到的能量作为数据转发能量消耗的补偿，从而均衡网络能量分布，但信息和能量资源分配与路由选择相互影响依存使得应用极具挑战性。因此，本项目研究多跳网络中的携能传输，挖掘多维资源因素与传输目标的映射关系，建立多跳网络的携能传输模型；在单流、动态多流、不可靠的环境下，研究路由选择和信息能量分配对端到端传输的影响和约束、选路策略对多流干扰的影响和代价机理，提出单流携能传输路由、干扰感知的选路策略和鲁棒携能传输路由来优化资源分配和路由选择，以保障端到端传输高效性和鲁棒性。通过本项目研究和探索，可突破多跳无线网络生命周期极限、提升网络可用性和持久性，进一步扩展应用场景。

无线携能传输利用同一个射频信号进行信息传输和能量补充，是能量受限无线网络延长节点生命周期的有效方法。在多跳无线网络，节点将携能传输收到的能量作为数据转发能量消耗的补偿，均衡网络能量分布。但信息和能量资源分配与路由选择相互影响依存使得多跳网络应用携能传输极具挑战性。因此，本项目围绕多跳网络中的携能传输建模，单流、多流、不可靠环境下路由选择和信息能量分配对端到端传输的影响和约束开展研究。具体研究内容及成果包括：.1）构建多跳网络的携能传输模型，包括最小化能量开销分配模型、干扰感知的最大化容量分配模型，用于支持路径中的携能链路构建和判断；.2）在单流环境下，设计能量开销路由指标、建立携能传输路由问题为多维资源约束的混合整数优化问题，并设计能量感知携能传输路由算法，验证携能传输能在多跳无线网络的有效性，在中等规模网络可更好保障数据传输的可达性；.3）在多流环境下，考虑干扰对携能传输的两方面影响，设计干扰感知路由指标，并基于干扰感知的最大化容量分配模型，建立干扰感知的携能传输路由问题模型和路由算法，从干扰和携能传输中提升端到端传输性能，保障多业务流传输；.4）在不可靠传输环境下，设计鲁棒多路径传输方法，包括干扰感知路由算法、信道分配算法和局部路由调整算法，保障端到端传输鲁棒性和性能。.5）在多源可靠多播网络服务分配问题中，考虑带宽、延迟和可靠性约束构建优化模型，提出一种多源可靠组播树构建的启发式算法，在原始网络的多级覆盖定向网络中找到一条公共链路，以便所有用户可以共享，提高资源利用率。.利用本项目研究成果，保障能量受限多跳无线网络端到端传输高效性和鲁棒性。可突破多跳无线网络生命周期极限、提升网络可用性和持久性，进一步扩展能量受限的多跳无线网络应用场景。