多天線中繼系統中能量收集時隙傳輸策略研究* 1

晏凱強，劉慧東，任國春，陳　瑾，陳慧林

(解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

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多天線中繼系統中能量收集時隙傳輸策略研究* 1

晏凱強，劉慧東，任國春，陳瑾，陳慧林

(解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

摘要：MIMO技術可在不增加系統帶寬和發射功率的前提下，成倍地提升無線通信系統吞吐量和服務質量。旨在研究能量收集與MIMO兩種技術同時實現在協作通信系統中時，如何更大限度提高能量收集中繼通信系統的吞吐量。首先針對多天線中繼節點對信號的處理方式將工作模式分為時間切換模式和能量分割模式，其次分析了兩種模式的最優策略，最后對兩種策略的系統吞吐量進行了比較。仿真結果顯示了在相同外部環境下，能量分割模式能獲得更大的系統吞吐量。

關鍵詞：能量收集；中繼通信；MIMO；時間切換；能量分割

0引言

能量收集協作通信系統，既可以在一定程度上提高數據的傳輸速率，又能夠節省能源并延長系統工作時間，已成為近年來無線通信領域的研究熱點[1-2]。而MIMO系統通過在發射端和接收端配置多根天線，進一步結合空時編碼技術可以獲得空間復用和空間分集，大大提高傳輸速率和通信可靠性。空時編碼和相關的MIMO信號處理技術在無線通信領域獲得了飛速發展和廣泛應用，許多無線通信標準已經采用或者計劃采用多天線技術[3-4]。在能量收集通信系統中，MIMO技術也被應用在很多場景中。文獻[5]研究了一個多天線接入點和一組單天線用戶組成的無線供電通信網路的吞吐量最優化問題。在文獻[6]中，作者對能量收集協作中繼通信系統進行了研究，提出了初級用戶和次級用戶之間在信息和能量這兩個層次的合作策略，以實現更好地利用頻譜。文獻[7]針對從周邊環境收集能量供電的MIMO多接入信道開發了一種新的方法，以獲得最佳的調度策略。在文獻[8]中，作者研究了在放大轉發(AF)和解碼轉發(DF)兩種中繼協議下的協作通信系統，并根據能量收集和信息傳輸在中繼處的協議提出了時間切換的概念。文獻[9]中，作者介紹了同時進行信息和能量傳輸的應用場景，對單用戶和多用戶之間不同的網絡拓撲結構進行了研究，并針對時間切換模式下的系統提出了對系統性能和算法復雜度之間折中問題的解決方案。文獻[10]中，作者考慮了一組單天線主用戶對和多天線次用戶對在能量分割模式下同時進行能量和信息合作的問題，并提出了一種基于時分的功率分配方案以實現吞吐量最優化。

本文在多天線中繼節點與源節點協作通信的場景下，根據中繼節點處理信號的方式對系統的信道吞吐量進行了分析，并對所提出的兩種策略所能獲得的最大吞吐量進行了比較。

1系統模型

圖1給出了基于半雙工模式的系統模型。在該系統模型中包括配置單天線的發射機(即源節點)和接收機(即目的節點)，以及配置M根天線的中繼節點。源節點和目的節點之間無直連鏈路，因此需要中繼節點以支持信息傳輸。中繼節點為能量受限節點，在傳輸信息之前需要將接收到的信號用以收集能量。然后將收集到的能量作為傳輸功率將源節點的信息傳送至目的節點。在多天線中繼節點處存在兩個隊列：能量隊列、數據隊列。不失一般性，假設能量隊列和數據隊列緩存長度無限大，信道按時隙劃分且每個數據包傳輸占用一個時隙。假設所有信道均為獨立平穩的瑞利衰落信道，且信道衰落系數如圖1中所示，其中g=[g1,g2,…,gM]T，表示信源與中繼節點之間的信道增益；h=[h1,h2,…,hM]T，表示中繼節點與接收機之間的信道增益。

圖1　系統模型

基于中繼節點接收信號的處理方式不同，提出兩種中繼策略。當節點根據時間切換儲存隊列，先收集能量再進行信息儲存時，稱之為時間切換模式[8-9]；當節點根據功率將信號分離至儲存隊列，同時進行能量收集和信息儲存時，稱之為能量分割模式[10]。

2系統吞吐量分析

2.1時間切換模式

如圖2所示，在時間切換模式下，中繼節點首先接收信號進行能量收集；當能量收集過程結束后，中繼節點再將接收到的信號存入數據隊列并進行譯碼。

圖2　時間切換模式

(1)

式中，Pp表示源節點發射功率，n1表示中繼節點處M×1維的加性高斯白噪聲矢量，且n1～CN(0,σ2IM)。為了提高性能，對接收到的信號都進行最大比合并處理，那么中繼節點的接收信噪比為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，0<ε<1為能量收集效率，0≤τ≤1為能量收集時間。

因此，根據DF協議[11-12]，系統吞吐量為：

(6)

2.2能量分割模式

如圖3所示，在能量分割模式下，中繼節點將接收到的信號按比例η(0≤η≤1)和1-η分別存入能量隊列和數據隊列。當能量與信息都接收完畢之后，再將信息轉發給接收機。

圖3　能量分割模式

此時中繼節點數據隊列接收到的信號為：

(7)

式中，n3表示中繼節點處M×1維的加性高斯白噪聲矢量，且n3～CN(0,σ2IM)。因此中繼節點的接收信噪比為：

(8)

接收機的瞬時信噪比為：

(9)

PS2表示中繼節點在時間分割模式下的發射功率，此模式下收集到能量的總量為：

(10)

因此整個系統的吞吐量為：

(11)

3優化系統吞吐量

3.1時間切換模式

時間切換模式下，從式(2)和式(4)的可以看出，系統吞吐量不僅與發射功率有關系，還取決于多天線的信道增益。但在多天線模型中，信道增益是隨著天線數目的增加而增大的，因此在對最優值進行求解時，我們假設天線數目固定，此時信道增益為定值。在此基礎上，根據式(6)的吞吐量分析，優化目標如下：

s.t. 0<ε<1

0≤τ≤1

(12)

考慮到優化因子PS1與另一優化因子τ有關系，這樣只需要對τ進行優化，則系統吞吐量就可以獲得最優解。當γ1≤γ2時，則：

(13)

可解得:

(14)

若γ1>γ2，則：

(15)

(16)

(17)

3.2能量分割模式

s.t. 0<ε<1

0≤η≤1

(18)

當γ3≤γ4時，即：

(19)

得：

(20)

當γ3>γ4，即：

(21)

4仿真結果

圖4、圖5顯示的是系統在時間切換模式下的吞吐量。由圖可知，在發射功率相同或者天線數目一致時，其對應的最大系統吞吐量都隨著天線數目的增加或者發射功率的增強不斷增大。但最佳能量收集時間正相反，發射功率的增強或天線數目增加都會縮短最佳能量收集時間，且功率引起的變化較小。

圖4　在相同發射功率不同天線數目情況下

圖5　在相同天線數目不同發射功率情況下

圖6、圖7顯示的是系統在能量分割模式下的吞吐量。由圖可知，與時間切換模式相同，在發射功率相同或者天線數目一致時，其對應的最大系統吞吐量都隨著天線數目的增加或者發射功率的增強不斷增大。但對于功率分配比例而言，隨著天線數目的增加，其最優值是不斷減小的，而發射功率的增強則會使最優值增大。

圖6　在相同發射功率不同天線數目情況下

圖7　在相同天線數目不同發射功率情況下

圖8顯示的是兩種工作模式在不同的天線數目下的最佳吞吐量。

圖8　在不同天線數目情況下時間切換模式

隨著信噪比的增大，最佳吞吐量都不斷增大。但在相同天線數目下，能量分割模式的最佳吞吐量始終優于時間切換模式下的最佳吞吐量。并且，隨著信噪比的增大，二者之間的差距也不斷增加，甚至，天線數目少的能量分割模型在發射功率達到一定程度時其最佳吞吐量可以超過天線數目多的時間切換模型。

5結語

本文以一個發射機，一個接收機和一個多天線中繼節點為通信模型，在DF模式下，分析了時間切換模式和能量分割模式中系統吞吐量如何實現最優化。仿真實驗分析了系統吞吐量與發射功率、天線數目、能量收集時間和能量分配比例之間的關系。結果表明，在天線數目和信噪比相同的情況下，相較于時間切換模式下的系統，能量分割模式擁有更好的系統性能。通過分析，可以發現其原因為能量分割模式下的系統在硬件上有更高的需求，其中繼節點的每根天線都需要增加一個處理信號的前端。

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InformationTransmissionPolicyforMulti-AntennaRelayCommunicationSystemwithEnergyHarvesting

YANKai-qiang,LIUHui-dong,RENGuo-chun,CHENJin,CHENHui-lin

(CollegeofCommunicationEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,NanjingJiangsu210007,China)

Abstract：MIMO technology can exponentially enhance the throughput and QoS of the wireless communication system without any increase of bandwidth and transmission power. This article discusses how to improve the throughput of energy harvesting relay communication system when energy harvesting and MIMO technologies are simultaneously implemented in system. Firstly the operation mode is divided into time switching mode and power splitting mode in accordance with the method for handling signal. Then the optimal strategies of the two modes are analyzed separately. Finally, the throughputs of energy harvesting relay communication system in two operation modes are compared. Simulation results indicate that the power splitting mode could achieve greater throughput in the same external environment.

Key words：energy harvesting;relay communication;MIMO;time switching;power splitting

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.05.013

* 收稿日期：2015-12-18；修回日期：2016-04-07Received date:2015-12-18；Revised date：2016-04-07

基金項目：國家自然科學基金青年項目(No.61501510)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China for Youth(No.61501510)

中圖分類號：TN92

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)05-0576-06

作者簡介：

晏凱強(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向為協作通信、移動通信；

劉慧東(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為認知無線電、頻譜感知；

任國春(1965—)，男，碩士，教授，碩士生導師，主要研究方向為短波通信、移動通信；

陳瑾(1971—)，女，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為移動通信、認知無線電、通信對抗；

陳慧林(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為移動通信、信道編碼。