無線通信系統(tǒng)中無線攜能通信技術(shù)的性能研究

郭 晶， 盧 錦

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

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無線通信系統(tǒng)中無線攜能通信技術(shù)的性能研究

郭 晶， 盧 錦

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

能量受限是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中存在的瓶頸問題之一，為了使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得穩(wěn)定持續(xù)的能量來源,無線攜能通信技術(shù)(SWIPT)越來越受到人們的關(guān)注.在SWIPT系統(tǒng)中，信息結(jié)合能量的同步傳輸十分契合無線通信對于綠色節(jié)能的要求，極大地延長了能量受限網(wǎng)絡(luò)(如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、軍事戰(zhàn)場通信等)的使用壽命.本文重點(diǎn)研究中繼協(xié)作系統(tǒng)與攜能技術(shù)相結(jié)合后，動態(tài)功率分配技術(shù)對原有系統(tǒng)的性能影響.給出系統(tǒng)中斷概率以及信道容量的閉合表達(dá)式.通過MATLAB驗(yàn)證推導(dǎo)理論的正確性.

無線攜能通信； 中繼； 動態(tài)功率分配

0 引言

近些年，人們對于環(huán)境保護(hù)的意識有了顯著的提高，并且隨著全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和多媒體智能技術(shù)的迅速普及，能源需求在通信業(yè)務(wù)量的爆炸性增加的同時(shí)顯著增加，建設(shè)高性能的綠色無線通信系統(tǒng)成為當(dāng)前無線通信領(lǐng)域亟待研究解決的前沿課題，即信息與通信領(lǐng)域更“綠色環(huán)保化”的思想引起全世界通信研究領(lǐng)域的極高的重視.無線通信，本質(zhì)上是在無需電纜等有線介質(zhì)的情況下進(jìn)行信息的高效便捷傳遞，突破了距離、環(huán)境等外部條件的限制，將信息發(fā)送到自由空間中，通過空間中的電磁場的無線傳播得以實(shí)現(xiàn).而無線通信系統(tǒng)的供能來源主要分為兩種，一種是通過電網(wǎng)供電，另一種是蓄電池供電.電網(wǎng)供電包括變電、輸電和配電，比較不方便在惡劣的信道環(huán)境中工作，而儲蓄電池供電方式較之于電網(wǎng)供電更加便捷，易于攜帶，但其本身的存儲能力導(dǎo)致通信系統(tǒng)的能量和功率都具有很大的局限性，以至于系統(tǒng)的服務(wù)性能和待機(jī)時(shí)間受到制約.對此，考慮到無線能量傳輸和無線通信機(jī)制，學(xué)術(shù)界提出了一種新型的可以將信息和能量同步傳輸?shù)乃枷耄礋o線攜能通信技術(shù).

1 無線攜能通信技術(shù)

利用電磁波可在自由空間進(jìn)行傳播這一特性，人們通過無線的方式實(shí)現(xiàn)信息傳輸和功率傳輸.作為兩條并行分支，無線信息傳輸技術(shù)和無線功率傳輸技術(shù)分別得到了廣泛研究和應(yīng)用.但隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用場景的深入發(fā)掘，利用電磁波在無線系統(tǒng)中進(jìn)行信息和功率聯(lián)合傳輸?shù)膽?yīng)用場景得到了諸多專家學(xué)者的關(guān)注和研究.2008年麻省理工大學(xué)Varshney教授在文獻(xiàn)[1]中最早提出了無線信息與功率聯(lián)合傳輸?shù)乃枷耄ζ淇赡軕?yīng)用的場景進(jìn)行了分析和預(yù)言.Varshney教授使用“容量-能量”(capacity-energy)函數(shù)推導(dǎo)了無線信息與功率聯(lián)合傳輸?shù)男阅芄剑⑨槍有愿咚拱自肼?Additive White Gaussion Noise，AWGN)信道，提出了信息可達(dá)速率和能量傳輸效率之間的最佳權(quán)衡方案.隨后，無線攜能通信技術(shù)(SWIPT)的研究延伸到頻率選擇性衰落信道[2]，作者提出用一種耦合電感電路來實(shí)現(xiàn)近距離的信息能量同時(shí)傳輸，并對頻率選擇性信道的可達(dá)速率和能量折中進(jìn)行了研究.隨后，文獻(xiàn)[3]研究了存在共信道干擾情況下的SWIPT技術(shù)，作者并沒有將共信道干擾視為降低信道容量的有害因素，而是提出從干擾信號中收集能量，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)研究不同的速率-能量折中性能和中斷-能量折中性能.上述研究假設(shè)接收信號可以同時(shí)用于信息解調(diào)和能量收獲，但由于電路技術(shù)的限制，該假設(shè)很難實(shí)現(xiàn).針對這一問題，Zhang Rui等[4]根據(jù)實(shí)際情況首次提出時(shí)分轉(zhuǎn)換(time-switching)接收機(jī)和能量分割(power-splitting)接收機(jī)，前者通過時(shí)隙輪換的方式分別對接收信號進(jìn)行信息解調(diào)和能量收集，后者通過將接收到的信號分為兩路能量流的方式分別進(jìn)行信息解調(diào)和能量收集.該文獻(xiàn)首次對MIMO (Multiple Input Multiple Output)信道下無線信息與功率聯(lián)合傳輸進(jìn)行研究,并提出了“速率-能量域”(Rate-Energy Region)性能刻畫函數(shù).隨后，應(yīng)用場景被廣泛擴(kuò)展[5-14]，研究模型包括雙向傳輸系統(tǒng)、多用戶系統(tǒng)、MIMO系統(tǒng)、認(rèn)知無線電系統(tǒng)、蜂窩小區(qū)網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模天線網(wǎng)絡(luò)等.

2 系統(tǒng)模型

本文重點(diǎn)考慮了理想通信環(huán)境下單用戶前向放大(amplify-and-forward,AF)中繼通信系統(tǒng)，由源端S、AF中繼R和目的端D組成.源端通過能量受限的中繼節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送給目的端.假定源端和目的端之間的直傳信道由于障礙物或者信號嚴(yán)重衰落而不存在.整個(gè)通信過程分為兩個(gè)時(shí)隙，第一時(shí)隙，源端將信息以廣播形式發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)，并在此階段結(jié)束時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)會將接收到的信號按比例θ分為兩部分，一部分用于信息的采集，另一部分用于轉(zhuǎn)發(fā)信號所需能量的收集；第二時(shí)隙，中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信號經(jīng)過放大轉(zhuǎn)發(fā)給目的端.假設(shè)所有通信信道均為瑞利衰落信道hij～CN(0,Ωij)，其中i,j～(S,R,D).系統(tǒng)中的信道噪聲均假設(shè)為復(fù)高斯對稱循環(huán)白噪聲且服從CN(0,N0).

第一時(shí)隙，中繼節(jié)點(diǎn)接收到源端發(fā)送的信號表示為：

(1)

式(1)中：Ps表示源端發(fā)送信息的能量，hsr表示源端到中繼節(jié)點(diǎn)的信道，xs表示信源傳輸?shù)男盘枂卧芰浚琻r表示中繼節(jié)點(diǎn)的加性高斯白噪聲.

第二時(shí)隙，中繼節(jié)點(diǎn)將放大轉(zhuǎn)發(fā)接收到的部分信號，假設(shè)放大增益為G，則此時(shí)目的端接收到的信號為：

yd=hrdGxr+nd

(2)

式(2)中：xr表示中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號，hrd表示中繼節(jié)點(diǎn)到目的端的信道，nd表示目的端的加性高斯白噪聲，0<θ<1為動態(tài)功率分配因素，其中，接收到的信號(1-θ)部分用于信號處理.

如前所述，中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號一部分用來能量收集，一部分用于信號處理，那么，假設(shè)用于能量收集的信號表示為：

(3)

通過處理，可以得到中繼用于信號轉(zhuǎn)發(fā)的能量為：

Pr=ηθ(Ps|hsr|2+N0)

(4)

式(4)中：0<η<1表示收集能量的轉(zhuǎn)化效率.由此，可以得到放大增益G.

(5)

同理，用于信息處理的中繼信號表示為：

(6)

結(jié)合公式(2)、公式(4)、公式(5)和公式(6)，通過推導(dǎo)可以得到系統(tǒng)端到端的信噪比表達(dá)式：

(7)

式(7)中：μ=Ps/N0，γs=|hsr|2，γr=|hrd|2.

3 系統(tǒng)性能分析

3.1 中斷概率

中斷概率其實(shí)是鏈路容量的另一種表達(dá)方式，當(dāng)鏈路容量不能滿足所要求的用戶速率時(shí)，就會產(chǎn)生中斷事件，被定義為瞬時(shí)信噪比低于預(yù)定的閾值γth，表示為：

Pout=Pr(γSNR<γth)=

(8)

式(8)中：

Fhsr(x)=1-e

(9)

(10)

式(9)和(10)分別為信道hsr和hrd的概率分布函數(shù)和概率密度分布函數(shù).依據(jù)文獻(xiàn)[15]的公式(3.471.9)，可得系統(tǒng)中斷概率閉合表達(dá)式為：

(11)

式(11)中：K1(x)為二階修正貝葉斯函數(shù).

3.2 系統(tǒng)遍歷容量

基于無線系統(tǒng)信息論遍歷信道容量可表示為：

(12)

由于很難得到該系統(tǒng)模型下的信道容量閉合表達(dá)式，因此將系統(tǒng)的信噪比進(jìn)行縮放降低復(fù)雜度，如下式：

(13)

該式推導(dǎo)出的遍歷容量表達(dá)式與實(shí)際的性能線幾乎吻合，能夠很好的表現(xiàn)系統(tǒng)的性能變化，將于后續(xù)的蒙特卡洛仿真進(jìn)行相應(yīng)的證明.

至此，應(yīng)用偏積分理論并且依據(jù)文獻(xiàn)[15]的公式(3.352.4)，可得系統(tǒng)遍歷容量的閉合表達(dá)式為：

(14)

式(14)中：EI(·)為指數(shù)積分函數(shù).從推導(dǎo)結(jié)論看出系統(tǒng)的總?cè)萘恐饕Q于信號源到中繼點(diǎn)的信道增益以及信號的發(fā)送能量.

4 仿真與分析

考慮系統(tǒng)能量接收機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率為90%，也就是說，在用戶接收端所接收的信息幾乎可以完全轉(zhuǎn)換成能量進(jìn)行采集與儲存，不失一般性，將系統(tǒng)傳輸速率設(shè)為R=1 bps/Hz.假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)的位置在源端和目的端的連線上變動.因此，源端和目的端的距離等于中繼節(jié)點(diǎn)與兩端的距離和.假設(shè)源端和目的端的距離等于1，則中繼節(jié)點(diǎn)到源端和目的端的距離d1和d2滿足0

圖1給出了系統(tǒng)中斷概率的蒙特卡洛仿真結(jié)果，并與理論分析給出的中斷概率閉合表達(dá)式(11)做了比較.仿真參數(shù)設(shè)置為θ=0.5，η=0.9.主要考慮三種情況：

(1)當(dāng)源端到中繼節(jié)點(diǎn)的信道增益遠(yuǎn)大于中繼節(jié)點(diǎn)到目的端的信道增益的情況；

(2)當(dāng)源端到中繼節(jié)點(diǎn)的信道增益等于中繼節(jié)點(diǎn)到目的端的信道增益的情況；

(3)當(dāng)源端到中繼節(jié)點(diǎn)的信道增益遠(yuǎn)小于中繼節(jié)點(diǎn)到目的端的信道增益的情況.

圖1 在不同參數(shù)下的系統(tǒng)中斷概率性能

從圖1可以看出，文中的推導(dǎo)公式與實(shí)際的通信情況幾乎完全吻合，因此，得以證明本文推導(dǎo)的正確性.另外，從圖1可知,系統(tǒng)的中斷概率取決源端到中繼節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)到目的端的信道增益和系統(tǒng)發(fā)送信號的能量，隨著發(fā)送信號能量的增加，系統(tǒng)中斷概率明顯減小；且當(dāng)源端到中繼節(jié)點(diǎn)的信道增益等于中繼節(jié)點(diǎn)到目的端的信道增益時(shí)，系統(tǒng)性能最優(yōu)；當(dāng)源端到中繼節(jié)點(diǎn)的信道增益遠(yuǎn)小于中繼節(jié)點(diǎn)到目的端的信道增益時(shí)，系統(tǒng)性能最差.從圖1中還可以看到,沒有采用SWIPT技術(shù)的AF系統(tǒng)中斷概率的在低信噪比區(qū)域內(nèi)優(yōu)于采用SWIPT技術(shù)的系統(tǒng)，但在高信噪比區(qū)域性能較差并出現(xiàn)了平臺效應(yīng)，這是預(yù)料到的，因?yàn)闆]有采用SWIPT技術(shù)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號的能量是不變的Pr=15 dB，限制系統(tǒng)的性能限.

圖2給出了系統(tǒng)遍歷容量的蒙特卡洛仿真結(jié)果，并與理論分析給出的系統(tǒng)遍歷容量閉合表達(dá)式(14)做了比較.仿真參數(shù)設(shè)置為θ=0.5，η=0.9.同樣的，仍然考慮三種情況：

(1)當(dāng)源端到中繼節(jié)點(diǎn)的信道增益遠(yuǎn)大于中繼節(jié)點(diǎn)到目的端的信道增益的情況；

(2)當(dāng)源端到中繼節(jié)點(diǎn)的信道增益等于中繼節(jié)點(diǎn)到目的端的信道增益的情況；

(3)當(dāng)源端到中繼節(jié)點(diǎn)的信道增益遠(yuǎn)小于中繼節(jié)點(diǎn)到目的端的信道增益的情況.

從圖2可以看出，文中的理論推導(dǎo)為實(shí)際的通信情況的上限，且性能幾乎吻合，因此，得以證明推導(dǎo)的正確性.并且，從圖2中可以看出系統(tǒng)的總?cè)萘咳Q源端到中繼節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)到目的端的信道增益和系統(tǒng)發(fā)送信號的能量，隨著發(fā)送信號能量的增加，系統(tǒng)容量明顯增加；且系統(tǒng)容量主要取決于源端的信道增益，與本文的分析一致.從圖2中依然可以看到，沒有采用SWIPT技術(shù)的系統(tǒng)性能在高信噪比區(qū)域較差.

圖2 在不同參數(shù)下的系統(tǒng)遍歷容量性能

5 結(jié)論

本文針對基于SWIPT技術(shù)的協(xié)作中繼系統(tǒng)進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出系統(tǒng)中斷概率和系統(tǒng)遍歷容量的閉合關(guān)系表達(dá)式，通過蒙特卡洛仿真驗(yàn)證了分析的正確性，通過分析得出結(jié)論.

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【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

Performance analysis of SWIPT technology in wireless communication system

GUO Jing， LU Jin

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Energy constraint is the bottleneck for the application of wireless sensor networks (WSNs).In order to provide the WSNs with stable and sustainable energy,simultaneous wireless information and energy transfer ( SWIPT) attracted more and more attention.In SWIPT system,synchronous transmission of information and energy seriously fits the pursuit of green energy,which will significantly prolong the lifetime of the energy-constrained networks (such as the wireless sensor networks,military battlefield communications,and etc.).In this paper,we mainly derive the performance difference between cooperative relay system and SWIPT cooperative relay system,which use the dynamic power allocation method.We deduced the closed-form of outage probability expression and the channel capacity for SWIPT amplify and forward (AF) relay system.The correctness of our theoretical derivation has been verified by MATLAB simulation.

SWIPT; relay; dynamic power allocation

2017-01-10

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(16JK1094)； 陜西科技大學(xué)博士科研啟動基金項(xiàng)目(BJ16-13)

郭 晶(1983-)，女，陜西西安人，講師，博士，研究方向：中繼協(xié)作系統(tǒng)及無線通信

2096-398X(2017)03-0176-04

TN925

A