多跳AF中繼中的動態(tài)混合攜能通信研究

摘要：本文以動態(tài)混合攜能通信為研究對象，探索其最佳狀態(tài)的優(yōu)化方式?？紤]信源與信宿之間的中繼傳輸具有m跳與多跳等方式，以此搭建無線攜能通行的仿真模型。約束條件設置為總傳輸功率的限定性、吞吐量的科學設計，以此完成功率傳輸效率與信息傳輸能力兩者之間存在的平衡關系，獲得非閉合表達式，能夠計算特定位置、限定吞吐量時跳數(shù)最大值。仿真模擬實驗發(fā)現(xiàn)：采取多重中繼跳數(shù)方案，科學調(diào)整參數(shù)，能夠拓展網(wǎng)絡覆蓋面積，提升能源利用效率，達成最佳的攜能通信狀態(tài)。

關鍵詞：傳輸功率;吞吐量;攜能通信

引言：應急通信系統(tǒng)適用性具有廣泛性，具體表現(xiàn)在：自然災害信息反饋、事故隱患預警、公共衛(wèi)生事件警報等，此類事故具有發(fā)生的突然性、涉及面積的公眾性、事故影響的危害性，具有通信實時性、信息準確性、數(shù)據(jù)真實性的需求。然而，事故發(fā)生時具有緊迫性，應急通信系統(tǒng)的應用需求在于響應速度。為此，探索攜能通信的最佳應用方案，具有研究的必要性。

1搭建模型

1.1模型搭建依據(jù)

以信源節(jié)點達到目標節(jié)點為研究視角，探索其運動過程經(jīng)歷跳數(shù)，分析其運行中繼系統(tǒng)的狀態(tài)。假設每個節(jié)點具有半雙工運行能力，且含有單個天線，由此結果有可能獲得多組天線。以網(wǎng)絡覆蓋面積為發(fā)展方向，設定信源與目標位置兩者之間不存在捷徑，同時設定多跳節(jié)點相互之間并不存在直接鏈路。信號實際攜帶的自信源節(jié)點，其內(nèi)在屬性表現(xiàn)在功率與信息兩個方面，中繼程序有多跳中繼節(jié)點予以完成，直至信號到達目標節(jié)點為止。在每次跳躍時，中繼節(jié)點應完成信源、前跳信號能量兩個參數(shù)的收集，繼而借助實際收集獲取的能量，完成信號下一次中繼跳躍，使其順利抵達目標位置[1]。

1.2參數(shù)設定

在中繼跳的運行期間，設定m為跳數(shù)，取值為1，2，...;dm表示在跳數(shù)中產(chǎn)生的節(jié)點間距;gm表示跳數(shù)產(chǎn)生中繼位置產(chǎn)生的因子，此因子具有放大性;則有關系式r0[k]=s[k]，設定為鍵控信號，s[k]在取值-1與1兩個值時，存在等同的先驗概率;nma[k]作為第m個中繼射頻前方位置產(chǎn)生的噪聲;nmc[k]表示在第m個中繼射頻內(nèi)部位置產(chǎn)生的噪聲。此外，設定nma[k]=nmc[k]=0，兩個參數(shù)的方差為b12、b22，方差數(shù)值作為高斯隨機變量。

1.3模型搭建

假設每跳產(chǎn)生信號傳輸時間為T，單位為秒。在混合協(xié)議中，TS與PS形成的幀結構，搭建模型流程為：

（1）中繼消耗時間為T，部分時間完成了信源與前跳信號能量兩個資源的收集，在m跳表示m中繼位置時間消耗比例，以TS因子作為表示方式，即xm，其中m為常數(shù)，存在0≤xm<1的關系式。

（2）中繼在T時間范圍內(nèi)收集的信號功率1-am，截取部分功率完成能量收集，在m中繼部分產(chǎn)生的功率消耗比例，以PS因子作為表示方式，即fm，其中m為常數(shù)，存在0≤fm<1的關系式。應關注的問題為：當fm=0時，混合協(xié)議將會發(fā)展成為單向TS協(xié)議;當xm=0時，混合協(xié)議將會發(fā)展成為單向PS協(xié)議。

因此，在多跳AF中繼運行期間，前跳在信號接收過程中，實際產(chǎn)生的能量消耗，將會轉(zhuǎn)移至下跳。由此獲得m中繼位置在信號接收時的計算方式：

rm[k]={（1-fm）Pm-1}-1×gm-1×{um/（dm）-1}×rm-1[k]+（1-fm）-1×nma[k]+nmc[k] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ....（1.3.1）

關系式中：Pm-1表示在m-1位置的中繼節(jié)點，其實際產(chǎn)生的信號傳輸功率消耗;P0表示信源傳輸時產(chǎn)生的功率消耗;um是一種衰落系數(shù)，對應在m中繼位置，將此系數(shù)設為固定值，不具有變化的可能性;v表示信號傳輸消耗指數(shù)。在此基礎上，采取表達式的簡化方式，設定um為固定值，dm=1。當距離確定的基礎上，{um/（dm）-1}=um，繼而簡化公式（1.3.1），獲得表達式為：

rm[k]= gi {（1-fi+1）Pi}-1· uis[k]+ {{ gj· {（1-fi+1）Pi}-1} uj·[（1+fi）nia[k]+nic[k]]} ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? .....（1.3.2）

表達式中：gi表示放大系數(shù)，用于反映AF中繼產(chǎn)生收益。

（3）固定收益gi的計算方式為：

gi=1/（Pi-1△i+b12+b22）-1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ...（1.3.3）

表示中△i取值為E{|ui2|}，用于表示um衰落系數(shù)的對應功率。

（4）以公式（1.3.1）為基礎，m中繼位置能量收集的計算表達式為：

Ehm=q ui2 gi2 P· （1-fi）xmT+q ui2· gi2 Pi （1-fi）·（1-xm）fmT ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?...（1.3.4）

計算表達式中h表示收集能量獲得的轉(zhuǎn)換效率?；诿刻芰總鬏敃r間消耗總計為T，為此，m節(jié)點位置功率傳輸?shù)挠嬎惚磉_式為：

Pm=Ehm/T=q ui2 gi2 Pi· （1-fi）[xm+（1-xm）fm]...（1.3.5）

在關系式（1.3.5）中，基于每跳能量傳輸時間消耗總計為T，為此，對T采取了歸一化處理。

（5）m中繼位置產(chǎn)生吞吐量的計算表達式為：

C0=（1-xm）log2（1+ym） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ...（1.3.6）

Ym的計算方式為：

Ym=（ ui2 gi2 （1-fi+1）Pi（1-xm）T）/（ { uj2 gj2 （1-fi+1）

Pi[（1-fi]b12+b22}） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ...（1.3.7）

當m值增長時，每跳位置的能量收集能力，其加速能力將會削弱。為此，在能量收集過程中，存在增長變化的臨界值，將此數(shù)值設定為m，能量收集數(shù)量不充足時無法完成數(shù)據(jù)傳輸，由此引出臨界值的關系式，即：

（1-xm）log2（1+ym）

在此前，m跳中繼位置產(chǎn)生的吞吐量為C0，由此獲得：xm與fm兩個參數(shù)，在P0初始化功率條件時，獲得了中級傳輸范圍的最大值[2]。此時xm與fm兩個參數(shù)對應的表達式，能夠達成（1.3.8）關系式的臨界值。

2仿真模擬

2.1仿真數(shù)據(jù)設定

開展仿真模擬計算，查驗多重因子收集、各類系統(tǒng)參數(shù)共同作用下，形成的中繼范圍最大值。在仿真實驗中，參數(shù)設定方式為：bma2=bmc2=0.01，um2=0.1;△m=0.1;m取值為常數(shù)，即1，2，...;T取值為1，v取值為3，C0取值為3，y0=（u12P0T）/（bma2+bmc2），作為第一組中繼信噪比，此信噪比與能量P0、T兩個因素存在直接相關關系。

2.2仿真結果

模擬發(fā)現(xiàn)：在多重混合因子中，產(chǎn)生具有差異性的y0、q、d參數(shù)，在特定節(jié)點吞吐量時，能夠獲得跳數(shù)最大值。模擬與預期存在一致性，y0作為初始信噪比，具有參數(shù)較大的性質(zhì)，q作為能量轉(zhuǎn)換數(shù)值較大的參數(shù)，d間距數(shù)值相對較小，由此獲取跳數(shù)最大值。然而，在實際模擬分析中發(fā)現(xiàn)：初始信噪比y0與能量轉(zhuǎn)換能力q兩個因素存在發(fā)展的限制性，且網(wǎng)絡覆蓋面積的影響因素為中繼間距與跳數(shù)兩個參數(shù)的乘積，當間距d參數(shù)增加時，引起跳數(shù)相應減少，由此網(wǎng)絡覆蓋面積的增加，無法依賴于間距d。對比y0、d、q三個參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)：網(wǎng)絡覆蓋面積在增加時，具有較大決定性作用的是混合協(xié)議因子，即xm與fm[3]。

在仿真模擬過程中發(fā)現(xiàn)：xm與fm兩個參數(shù)在優(yōu)化處理時，將會獲得跳數(shù)最大值，然而fm數(shù)值較小，在優(yōu)化處理時，對其采取減小措施，旨在提升中繼信號運行所需的功率，用以末端幾跳完成長距離傳輸。此種優(yōu)化處理的原因在于fm數(shù)值較小時，引起TS部分占據(jù)優(yōu)勢，以此提升跳數(shù)增加的可能性，在末端幾跳中，無線星系傳輸能力逐漸減弱，由此應借助fm的較大值提升信號傳輸?shù)墓β?。在?yōu)化處理過程中，借鑒了權衡思想，依據(jù)具體變化過程采取動態(tài)優(yōu)化措施，具有優(yōu)化措施的靈活性與針對性。

由此說明：TS與PS兩個協(xié)議具有動態(tài)混合性質(zhì)，無法保證通信傳輸?shù)钠焚|(zhì)與效率，且能夠完成的跳數(shù)最大值等同于TS協(xié)議;SWIPT協(xié)議中的TS與PS混合應用，能夠提升攜能通信的網(wǎng)絡覆蓋面積，獲取能源利用的最大化效益;與此同時，在使用混合協(xié)議期間，應盡可能地規(guī)避xm=0，fm=0的降級問題，應借助假設間距實現(xiàn)簡化處理，間距可設定為1;多重相關間距獲取的加權跳數(shù)，作為無線信號傳輸期間各跳中繼間距的總數(shù)，間距總和=加權跳數(shù)，在一定程度上影響著中繼網(wǎng)絡覆蓋的實際面積。

結論：綜上所述，多跳AF中繼體系內(nèi)部實際運行的TS、PS兩種協(xié)議具有動態(tài)混合性質(zhì)，在模型建立過程中獲得了雙參數(shù)混合的表達式，此表達式的形式為非閉合。借助數(shù)學分析軟件，計算出給定吞吐量作用下產(chǎn)生的中繼跳數(shù)最大值，由此計算每跳產(chǎn)生的能量與誤碼可能性。經(jīng)仿真模擬發(fā)現(xiàn)：采取多重中繼跳數(shù)方案，科學調(diào)整參數(shù)，能夠拓展網(wǎng)絡覆蓋面積，提升能源利用效率，達成最佳的攜能通信狀態(tài)。

參考文獻：

[1]李娜. 攜能通信網(wǎng)絡中具有非線性能量轉(zhuǎn)換效率的源端能耗問題研究[D].河北工程大學，2020.

[2]宋志群，劉玉濤，呂玉靜.無線攜能通信時隙與功率聯(lián)合優(yōu)化算法研究[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2020，52（05）：35-40.

[3]林浩男，毛明禾.多跳AF中繼中的動態(tài)混合攜能通信[J].電子測量技術，2019，42（06）：114-118.

作者簡介：

李孟洋（1986.11——），性別：男，民族：漢族，籍貫：黑龍江省齊齊哈爾市拜泉縣，單位：哈爾濱理工大學，職稱：講師，學位碩士，研究方向：光學。