【通信】无线供电中继辅助通信网络（WPRCN）研究附Matlab代码

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摘要：无线供电中继辅助通信网络 (Wireless Power Transfer Relaying-Assisted Communication Network, WPRCN) 是一种新兴的网络架构，旨在利用无线能量传输 (Wireless Power Transfer, WPT) 技术为能量受限的通信设备供电，并通过中继节点辅助信息传输，从而拓展网络覆盖范围，延长网络生命周期，并提升整体通信性能。本文深入探讨了WPRCN的研究现状、关键技术、面临的挑战和未来的发展趋势。文章首先阐述了WPRCN的概念和必要性，并对现有研究进行了分类和总结。随后，重点讨论了功率传输和信息传输的协同优化、资源分配、安全保障、网络架构设计等关键技术，并对这些技术在WPRCN中的应用进行了分析。最后，本文指出了WPRCN面临的挑战，例如能量转换效率低、信道干扰复杂、硬件成本高等，并展望了其在物联网、工业自动化、应急通信等领域的潜在应用和发展方向。

关键词：无线能量传输；中继辅助通信；无线供电中继辅助通信网络；能量收集；网络优化

引言

随着物联网 (Internet of Things, IoT)、传感器网络 (Wireless Sensor Networks, WSNs) 和移动通信等技术的快速发展，无线通信设备的应用场景日益广泛。然而，这些设备的能量供给通常依赖于电池，其有限的容量和需要定期更换的特性限制了网络的可持续性和可扩展性。在一些特殊应用场景，如偏远地区监测、灾后应急救援等，更换电池更是困难重重。因此，如何有效地为这些能量受限的设备供电，成为了亟待解决的关键问题。

无线能量传输 (Wireless Power Transfer, WPT) 技术应运而生，它利用电磁感应、磁共振、射频辐射等方式将能量从电源节点无线传输到接收节点，实现了能量的灵活供给。结合中继辅助通信 (Relay-Assisted Communication, RAC) 技术，通过中继节点转发信息，可以有效扩展网络覆盖范围，提高信息传输速率和可靠性。无线供电中继辅助通信网络 (WPRCN) 正是融合了WPT和RAC技术的产物，它利用WPT为中继节点供电，并利用中继节点转发信息，从而构建一个能量自给自足、通信性能优异的网络。

本文旨在对WPRCN的研究现状进行全面的综述，深入探讨其关键技术、面临的挑战和未来的发展趋势，为相关领域的研究人员提供参考。

一、WPRCN的概念和研究现状

1. 1 WPRCN的概念

WPRCN由多个节点组成，包括能量发射器 (Power Transmitter, PT)、能量收集器 (Energy Harvester, EH)、中继节点 (Relay Node, RN) 和信息接收器 (Information Receiver, IR)。PT负责将能量以无线方式传输到EH，EH将接收到的能量转化为电能，为自身和RN供电。RN接收来自PT或EH的信息，并将其转发到IR。WPRCN的核心思想是利用WPT技术为网络中的节点供电，从而摆脱对电池的依赖，延长网络生命周期。同时，利用中继节点辅助信息传输，提高网络容量和覆盖范围。

1. 2 WPRCN的研究现状

近年来，WPRCN的研究受到了广泛关注，主要集中在以下几个方面：

• 功率传输和信息传输的协同优化：

   这是WPRCN的核心问题。如何优化PT的发射功率、EH的能量收集策略、RN的转发策略，以最大化网络吞吐量、最小化传输延迟、最大化能量效率，是研究的重点。学者们提出了多种协同优化算法，包括基于凸优化的方法、基于迭代算法的方法、基于机器学习的方法等。

• 资源分配：

   WPRCN中的资源包括时间、频率、功率等。如何合理地分配这些资源，以满足不同节点的需求，并实现网络的整体性能优化，是另一个重要的研究方向。研究人员提出了基于博弈论的资源分配方法、基于拍卖机制的资源分配方法、基于深度学习的资源分配方法等。

• 安全保障：

   WPRCN面临着多种安全威胁，例如窃听攻击、能量窃取攻击等。如何保证信息的安全性，防止能量被盗用，是WPRCN研究中不可忽视的问题。研究人员提出了基于物理层安全的方案、基于密码学的方案、基于信誉机制的方案等。

• 网络架构设计：

   WPRCN的网络架构对网络的性能和可靠性有重要影响。如何设计合理的网络架构，以适应不同的应用场景，是研究的另一个方向。研究人员提出了基于集群的架构、

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