具有能量收集功能的無線中繼網絡資源分配

楊 健，張 晶，霍彥奇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

具有能量收集功能的無線中繼網絡資源分配

楊 健，張 晶，霍彥奇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對具有能量收集功能的無線中繼網絡，通過分析有限能量存儲約束和能量消耗的因果約束對資源分配的影響，提出了基于馬爾科夫決策的功率分配算法以最大化中繼網絡的吞吐量。所提算法根據無線信道狀態信息和電池容量信息對功率分配進行動態調整，合理利用收集到的綠色能源，實現網絡吞吐量的極大提升。對具有不同能量收集效率的場景進行了仿真，驗證了所提算法的優越性。

能量收集；無線中繼網絡；資源分配；馬爾可夫決策

0 引言

在中繼網絡中，中繼節點增加了系統的吞吐量和覆蓋范圍，降低了能量消耗[1-4]。為了方便在無法接入電網地區的部署，具有能量收集能力的中繼節點是最佳的選擇，其可以從周圍環境中獲取能量資源，例如太陽能、風能、射頻能量等[5-6]。但是，由于周圍環境動態地變化(如陰雨天、晴天、風力大小或日照強度)，中繼節點收集能量的時間長短和多少無法提前確定，具有隨機特性。因此，在具有能量收集功能的中繼網絡中，眾多節點收集能量的隨機特性致使資源分配問題面臨著重要的挑戰。

針對具有能量收集功能的網絡資源分配，業界已經開展了大量研究。文獻[7]提出了一個方向性的注水算法，用以解決具有能量收集功能場景中的功率分配問題。文獻[8]采用能量和信息協同傳輸技術研究平坦衰落信道上的數據傳輸問題。文獻[9]研究了多對源節點和目的節點協同利用具有能量收集功能的中繼節點傳輸數據的問題。然而，上述幾篇文獻都只是研究了一個中繼節點的數據傳輸問題，其研究成果并不適用于多中繼無線網絡。

基于此，考慮由一對源節點和目的節點以及多個中繼節點組成的無線中繼網絡，其中源節點和多個中繼節點具有能量收集功能。在此場景中，通過分析源節點和中繼節點的功率分配受能量消耗因果約束和有限存儲約束的影響，提出了一個基于馬爾科夫決策的功率分配算法來最大化系統的吞吐量。

1 系統模型和問題描述

圖1 具有能量收集功能的中繼網絡

定義ps(i)和prj(i)分別為源節點和第j個中繼節點的發射功率，hsrj(i)和hrjd(i)分別表示信源到第j個中繼節點的信道增益和第j個中繼節點到目的節點的信道增益。在第i個時幀中，目的節點接收到的第j個中繼節點數據信號的信噪比表示為[11]：

(1)

在中繼網絡中，具有能量收集功能的源節點和中繼節點從周圍的環境中持續地收集能量。在第i個時幀開始時，源節點和第j個中繼節點收集的能量分別表示為Es(i)和Erj(i)，而這些節點的電池所存儲的能量分別表示為Bs(i)和Brj(i)。

在傳輸數據的過程中，對收集的能量使用具有兩類約束條件：收集能量使用的因果約束和可充電池的有限存儲約束。收集能量的因果約束就是沒有收集到的能量是不能被使用的；因此，源節點和所有中繼節點的收集能量因果約束分別表示為：

(2)

(3)

同時，可充電池的有限存儲約束就是由于電池容量已滿而沒有足夠的空間來存儲新收集的能量。源節點和所有中繼節點的可充電電池的有限存儲約束可以表示為：

(4)

(5)

文中，源節點通過M個中繼節點來轉發數據信息，則我們的目標是最大化N個傳輸時幀中系統吞吐量。該問題可以描述為：

(6)

s.t.(2),(3),(4),(5)，

(7)

0≤prj(i),0≤ps(i),?i,?rj，

(8)

式中，Ps={ps(1),…,ps(N)}，Prj={prj(1),…,prj(N)}。

2 用戶調度和功率分配機制

2.1 系統狀態空間

在本文中，利用馬爾科夫過程來描述源節點和中繼節點的能量收集過程以及所有鏈路的信道增益過程。將源節點和所有中繼節點電池存儲容量進行n等分，而將中繼網絡中所有鏈路的信道增益進行m等分。因此，該網絡系統的狀態空間可表示為：

S=Bs×Br1×…×BrM×Gsr1×…×GsrM×

Gr1d×…×GrMd，

(9)

s=(Bs,Br1,…,BrM,hsr1,…,hsrM,hr1d,…,hrMd)，

(10)

式中，Bs∈Bs、Brj∈Brj分別表示源節點和第j個中繼節點所存儲能量水平，hsrj∈Gsrj、hrjd∈Grjd分別表示為源節點到第j個中繼節點之間鏈路及其到目的節點之間鏈路的信道增益。

2.2 系統行為空間和收集能量空間

在給定一個系統狀態s，一個行為狀態可能從行為狀態空間中被選出來，表示為As。通過合并所有系統狀態的行為空間，而整個行為空間則表示為：

在中繼網絡中，源節點和所有中繼節點從周圍環境中所收集到的能量行為是獨立同分布的。對源節點和所有中繼節點收集的能量以最小存儲能量水平為單位進行離散化處理，并獲得了有限的離散化抽樣空間，分別表示為：

(11)

(12)

(13)

(14)

依據以上描述，對于源節點和所有中繼節點的任何行為a=(ps,pr1,…,prM)∈A,?es∈Εs，?Bs∈Bs，?erj∈Erj和?Brj∈Brj，?rj，源節點和所有中繼節點電池的存儲能量水平可以確定為：

2.3 系統轉移概率

在傳輸源節點數據的過程中，源節點和所有中繼節點能量消耗和收集致使其所存儲能量水平在不斷變化及狀態轉移。此外，鏈路的時間相關性致使其狀態之間以一定概率進行轉移。在第i個時幀中，給定網絡系統狀態si∈S和所采用的行為狀態ai∈A，網絡系統狀態在第i+1個時幀中轉換為狀態ai+1∈A的轉移概率表示為φi(si+1|si,ai)。源節點和所有中繼節點之間鏈路和中繼節點和目的節點之間鏈路的信道狀態是獨立同分布的，而且源節點和所有中繼節點收集的能量為統計獨立的。因此，在第i個時幀中，系統狀態的轉移概率為：

φi(si+1|si,ai)= Pr(Bs(i+1)|Bs(i),ps(i))×

(15)

利用全概率定理和收集到能量使用約束條件，式(15)右邊的第1項可以表示為：

(16)

式中，

φi(si+1|si,ai)=

2.4 功率分配算法

在動態優化具有能量收集功能的源節點和中繼節點的發射功率的條件下，在每個時幀中目的節點所接收到的數據速率表示為：

?i=1,…,N-1

(17)

(18)

式中，ps(N)=Bs(N)/T和prj(N)=Brj(N)/T，?rj∈R。在式(20)中，最后一個時幀的傳輸速率僅僅是網絡系統狀態的函數，其原因為源節點和所有中繼節點的所有可用資源將全部用于數據傳輸。在給定第i個時幀的網絡系統狀態si情況下，確定源節點和所有中繼節點所采用的發射功率，進而確定其期望收益為：

(19)

uN(sN)=RN(sN)。

(20)

基于以上描述，基于馬爾卡夫決策的功率分配算法的具體步驟如下所示：

① 初始化系統狀態s0，并初始化時幀參數i=0；

② 設置時幀i=i+1；

③ 源節點獲取系統狀態si；

3 仿真結果分析

圖2描述了在只有一個中繼節點的場景下網絡系統的總的平均吞吐量隨著傳輸數據所受時間長度限制的變化情況，即隨著時幀數目變化的情況。在3個不同的網絡場景下，除了所受時間限制只有一個時幀的情況下，基于馬爾科夫決策的功率分配算法獲得的系統吞吐量都要比貪婪算法獲得的多。在場景1和場景2的對比下，好的信道增益下的網絡吞吐量比差的信道增益下的吞吐量多。在場景2和場景3的對比下，高收集能量水平下的網絡吞吐量要比低收集能量水平下的吞吐量多。

圖3描述了在傳輸數據所需時間包括了2個時幀的場景中系統總的平均吞吐量隨著中繼節點數目的變化情況。在3種不同的場景中，基于馬爾科夫決策的功率分配算法和貪婪算法獲得總的平均吞吐量隨著中繼節點數目的增加而增加，而且基于馬爾科夫決策的功率分配算法得到的吞吐量都要比貪婪算法獲得的多。同樣地，在場景1和場景2的對比下，高信道增益下的吞吐量要大于低信道增益下的吞吐量；在場景2和場景3的對比下，高收集能量水平下的吞吐量要大于低收集能量水平下的吞吐量。

圖2 在不同時幀數目的情況下，系統總的平均吞吐量的變化

圖3 系統總的平均吞吐量隨著中繼節點數目的變化情況

4 結束語

針對由多個具有能量收集功能的中繼節點構成的無線中繼網絡場景，提出了基于馬爾科夫決策的功率分配算法以最大化系統吞吐量。所提算法根據無線信道狀態信息和電池容量信息對功率分配進行動態調整，合理利用收集到的綠色能源，實現網絡性能(系統吞吐量)的極大提升。

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ResourceAllocationforWirelessRelayNetworkswithEnergyHarvesting

YANG Jian，ZHANG Jing，HUO Yan-qi

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

By jointly analyzing the impacts of the energy consumption causality constraint and the no-energy-overflow constraint on resource allocation,a Markovian-decision-based power allocation algorithm is proposed for maximizing the system throughput for wireless relay networks,in which the relay node is capable of harvesting energy from the around environments.Specifically,the proposed algorithm dynamically adjusts the transmission power according to the channel state information and the amount energy stored in the battery,and takes advantages of the harvested energy reasonably to improve significantly the network throughput.Finally,the scenarios with different rates of harvesting energy are simulated,and the results prove the advantages of the proposed algorithm.

energy harvesting;wireless relay networks;resource allocation;Markovian decision

TN911.7

A

1003-3114(2017)06-16-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.04

楊健，張晶，霍彥奇.具有能量收集功能的無線中繼網絡資源分配[J].無線電通信技術,2017,43(6): 16-19,27.

[YANG Jian，ZHANG Jing，HUO Yanqi.Resource Allocation for Wireless Relay Networks with Energy Harvesting[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):16-19,27.]

2017-07-11

河北自然科學基金項目(F2014210123)

楊 健 (1989—)，男，博士，工程師，主要研究方向：無人機/彈群數據鏈動態組網協議、面用服務質量的跨層資源配置。張 晶 (1989—)，女，碩士，助理工程師，主要研究方向：航天航空測控、數據處理。霍彥奇 (1989—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向：航天航空測控、無人機/彈群數據鏈動態組網協議。