一種適用于多中繼能量收集協作網絡的鏈路選擇策略*

向善旭 雷洋洋 胡佳燁 陳秋緣

（1.長安大學 西安 710064）（2.哈爾濱理工大學 哈爾濱 150006）

1 引言

資源節約是這個時代科學技術的一條重要標準，尤其是在信息傳輸與處理技術飛速發展的今天，且通信業務更是如此。射頻（RF）能量傳輸和收集技術已被認公認為下一代無線網絡［1］的可持續自供電的解決方案，中繼節點從接收的射頻信號中提取能量并進行信息轉發，不僅提高系統的能量利用效率，也延長了節點本身的使用壽命。無線信息與能量協同傳輸（Simultaneous Wireless Informa?tion and Power Transfer，SWIPT）技術［2］引起了學術界的廣泛關注。因此，具有能量采集能力的通信系統成為新的研究熱點。當前兩種能量采集有兩種方式，一種是功率分割（Power Splitting，PS）［3］，即具有能量采集能力的節點將接收到的功率分成兩部分，一部分用于存儲，一部分用于信息處理；另一種方式是時間切換方式（Time Switching，TS）［3］，即具有能量采集能力的節點在接受信號的時間段將時間分為兩部分，一部分用于能量存儲，一部分用于信息處理。文獻［4］中提出了一些實用的SWIPT接收機架構，即時間切換（TS）和功率分割（PS）接收機架構，這些架構在無線通信中得到了廣泛的應用。

此外，協作中繼技術還可以廣泛應用于認知無線電網絡［5～6］，空時網絡編碼網絡［7］等無線網絡中?？紤]到放大轉發（AF）中繼策略，文獻［8］中的作者針對一個源節點，一個射頻能量采集中繼和一個目的節點所組成的簡單中繼網絡，研究了基于功率分割（PS）和時間切換（TS）的中繼協議的中斷性能?？紤]到類似的單中繼網絡，但采用解碼轉發（DF）中繼策略，在文獻［9］中分析了基于功率分割（PS）和時間切換（TS）的中繼協議在有直達鏈路和沒有直達鏈路情況下的最大傳輸速率。與文獻［10～11］中多中繼多用戶協作網絡中所采用的獨立同分布衰落信道假設的研究不同，現有研究中考慮獨立但不一定同分布的衰落信道的研究較少，尤其是在SWIPT的協作中繼網絡中。

不難預見，能量采集技術一定會在5G 通信系統、物聯網等下一代無線通信網絡的建設中發揮更大的作用。在多中繼系統和多目的節點系統中，為了實現節點選擇，系統信道狀態交互階段，往往需要耗費大量的中斷能量和鏈路傳輸開銷，現有公開報道的文獻中，對于中繼鏈路和直達鏈路信息的合并選擇處理技術還鮮有研究，本文主要研究多中繼多節點的無線信息與能量協同傳輸（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT）系統，設計基于門限選擇算法的鏈路選擇技術，兼顧傳輸性能與實現復雜度，并探索不同的系統關鍵參數對SWIPT系統性能的影響。

2 系統模型和選擇方案說明

2.1 系統模型

本文研究的無線信息和能量協同傳輸模型如圖1 所示，在該模型中，考慮雙跳協作中繼網絡下行傳輸場景，假設存在1 個基站，K個射頻能量采集中繼R={Rk|k=1,2…,K} ，M個目的節點D={Dm|m=1,2…,M}。每個節點均為單天線終端，按照半雙工的模式，在同一頻段下按照不同的時隙接入進行通信，假設所有鏈路都服從獨立不同分布瑞麗塊衰落，如此，任意兩點之間的信道增益|hXY|2服從指數分布，即滿足：

圖1 基于兩跳多中繼多用戶協作網絡的無線信息和能量協同傳輸模型

λXY表示的是速率參數，滿足，其中dXY表 示 任 意 兩 點 的 距 離，其 中X{S}∪R，YR∪D，而α表示大尺度衰落的路徑損耗指數。其中，信道的平均增益可以表示成［12］：

其中，d0表示的是參考距離，L表示的是在d0位置的平均信號功率衰減。

2.2 中繼節點的選擇過程

對于中繼節點而言，假設不同的節點能量轉換效率是一致的，即為η，同時，基站負責對SWIPT系統中的功率分配因子ρ的調節，令基站的發送平均信噪比為，那么從源節點到目的節點的鏈路選擇可以表示成：

當采用解碼轉發中繼協議時，根據DF 協議的規則，中繼節點的鏈路選擇可以表示成：

當采用放大轉發中繼協議時，根據AF 協議的規則，中繼節點的鏈路選擇可以表示成：

其中，κk表示源節點和中繼k之間的的歐氏距離［12］。

2.3 通信過程

具體通信過程如下：

第一步：在通信之前，在中繼先發訓練序列到目的節點D，根據不同鏈路的信道狀態，選擇最佳的中繼目的通信節點對。

第二步：在第一步的選擇的基礎上，整個通信過程分為兩個階段，第一階段，基站節點S將信息廣播發送給選定的目的節點D，目的節點D在接收到基站節點S的信息過程中，不采用SWIPT 技術；于此同時，中繼節點R同樣會獲得相同的數據包，此時中繼節點R利用SWIPT 技術進行能量采集和數據轉發。

第二階段，中繼節點R利用在第一階段所采集到的能量，來轉發信息給目的節點D，轉發過程中的處理協議為DF和AF，目的節點D利用選擇合并技術，將直接鏈路的信號和中繼轉發的信號進行融合處理。

3 本文所設計的鏈路選擇方案

3.1 數據傳輸過程

本文所設計的基于門限選擇算法的SWIPT 傳輸幀結構如圖2所示。

圖2 基于門限選擇的SWIPT傳輸幀結構

假設兩個階段的時隙相同，均為T，在第一階段，基站S廣播信息s，選中的中繼節點Rb和目的節點Db均可以收到，滿足=1，其中E[ ]表示取均值，此時目的節點接收到的信號可以表示成：

此時S→Db信道的接收信噪比可以表示成：

在SWIPT技術的支撐下，基站的功率劃分出兩塊，一塊ρ用于實現能量采集，一塊(1 -ρ)用于作為接收功率，實現信息的解碼處理［13］。在選中的中繼上，其獲得的能量可以表示成［14］：

其中，0<η<1 表示能量轉換效率。中繼節點所接收到的信息可以表示成：

此時，S→Rb信道的接收信噪比可以表示成：

在第二階段中，選中的中繼節點利用采集獲得的能量，來轉發源節點的信息［15］，此時其發送功率可以表示成：

中繼轉發采用的協議，可以考慮采用AF 協議和DF 協議，在采用DF 協議下，假設中繼節點能夠成功地解碼源節點的信息，那么在目的節點處獲得的接收信號可以表示成：

其中，s表示中繼成功解碼后重新編碼的信號，此時獲得的瞬時信噪比可以表示成：

在雙跳DF傳輸過程中，任意一跳的失敗，將導致整個系統傳輸的失敗，其端到端的信噪比可以表示成：

在中繼節點選擇AF 協議時，選擇的最佳中繼對信號繼續放大轉發，在目的節點Db處獲得的信號可以表示成：

由此，端到端的信噪比可以表示成：

其中G 為采用AF 中繼協議時的噪聲放大系數［12］。

3.2 算法描述

在目的節點接收合并的過程中，需要對S→Db和S→Rb→Db路徑進行選擇，這里為了獲得切換復雜度和實現性能的折中，本文設計了基于門限信噪比的選擇算法，對應得到的系統信噪比可以表示成：

其中Γ( ) 表示基于門限的選擇過程，當S→Db鏈路的瞬時信噪比γSDb大于門限值時，系統直接選擇S→Db鏈路，而當該條件無法滿足，且S→Rb→Db路徑的瞬時信噪比大于門限值時，則系統直接選擇S→Rb→Db鏈路，若兩個條件都無法滿足，則選擇兩個鏈路中較大的一個，其具體實現如下：

然后在本文所設計的基于門限選擇的SWIPT系統下，結合不同的中繼轉發策略探索不同參數配置下的系統性能之間的差異，并且將本文多中繼多用戶節點的協作網絡通信場景與單中繼通信場景進行性能比較分析。能得到一些關鍵參數對于SWIPT 系統性能的影響。并且最后通過仿真實驗來評估針對多中繼多用戶節點的通信網絡模型所提出的基于門限選擇算法，結果說明了該算法的有效性。

4 仿真分析

本文通過編寫Matlab代碼的方式，結合不同的中繼轉發協議，對研究的SWIPT系統的傳輸中斷概率和傳輸容量進行仿真分析，揭示設計的不同的關鍵參數對設計的系統模型性能產生的影響。仿真中主要基于計算機建模進行研究，仿真軟件采用的是Matlab 2020a，操作系統版本為微軟Win10 64 位專業版。

中斷概率，是評價系統通聯狀態的一個重要指標。圖3 給出了不同天線配置下的SWIPT AF 系統傳輸中斷概率仿真分析，其中橫坐標表示的是傳輸衰落信道的信噪比變化范圍為0∶2∶30，單位為dB，縱坐標表示系統的中斷概率，中繼節點數目配置為2、3、4，目的節點配置為2 和4，中斷速率設置為1bit/s，中繼路徑和直傳路徑的選擇門限值設置為10dB，路徑損耗分量設置為2.7，攜能轉換效率為0.7，功率分割因子為0.5，統計平均次數設置為100次。觀察仿真圖可以發現，在采用放大轉發的SWIPT 系統中，隨著信噪比的提高，系統的中斷概率不斷降低，表明提高信道的傳輸質量，可以有效地改善系統的傳輸中斷性能，在固定中繼節點數目時，改變目的節點的數目，在高信噪比部分可以一定程度地提升系統的傳輸性能，而在固定目的節點時，改變中繼節點數目，系統可以獲得整體的提升，如目的節點數目為4，中繼節點數目從2 變到4 時，當BER=0.001 時，系統所需的信噪比降低了4dB。特別地，相比于單AF中繼通信場景，不同天線配置下的SWIPT-AF系統性能均獲得了大幅度的提升。

圖3 不同天線配置下的SWIPT AF系統傳輸中斷概率仿真分析

圖4 給出了不同天線配置下的SWIPT DF 系統傳輸中斷概率仿真分析，其中橫坐標表示的是傳輸衰落信道的信噪比變化范圍0∶2∶30，單位為dB，縱坐標表示的是系統的中斷概率，在相似的參數配置下，我們得到了與SWIPT AF 系統傳輸中斷概率相似的結論，但進一步比較發現，同等參數配置下，SWIPT DF系統傳輸中斷概率，比SWIPT AF系統傳輸中斷概率更小，其主要原因在于DF 轉發系統能夠避免放大噪聲的情況，進而獲得了性能的提升。

圖4 不同天線配置下的SWIPT DF系統傳輸容量仿真分析

傳輸容量是評估系統傳輸能力的一個重要指標。圖5 給出了不同天線配置下的SWIPT AF 系統傳輸容量仿真分析，其中橫坐標表示的是傳輸衰落信道的信噪比變化范圍0∶2∶30，單位為dB，縱坐標表示的是系統的傳輸容量，中繼節點數目配置為2、3、4，目的節點配置為2 和4，中繼路徑和直傳路徑的選擇門限值設置為10dB，路徑損耗分量設置為2.7，攜能轉換效率為0.7，功率分割因子為0.5，統計平均次數設置為10000 次。觀察仿真圖可以發現，隨著信噪比的提高，系統的傳輸容量不斷增大，相比于單節點中繼通信場景而言，配置天線節點數目的增大，帶來系統性能的顯著提升，在多種配置的復雜構建下，我們通過仿真，得到幾個有意思的結論，在相同的中繼節點數目（數目為2）時，增加目的節點數目（數目從2 增加到4），可以發現系統的容量存在先減小后增大的情況，且在高信噪比區域，目的節點數目越多，性能越好；在相同的目的節點數目（數目為2）時，增加中繼節點數目（數目從2增加到4），可以發現系統傳輸容量同樣存在先增大后減小的情況，且在低信噪比區域，中繼節點數目越多，性能越好，而隨著信噪比的增加，最后傳輸容量趨于一致。

圖5 不同天線配置下的SWIPT AF系統傳輸容量仿真分析

圖6 給出了不同天線配置下的SWIPT DF 系統傳輸容量仿真分析，其中橫坐標表示的是傳輸衰落信道的信噪比變化范圍0∶2∶30，單位為dB，縱坐標表示的是系統的傳輸容量，在相似的參數配置下，我們得到了與SWIPT AF系統傳輸傳輸容量相似的結論，但進一步比較發現，同等參數配置下，SWIPT DF系統傳輸容量，比SWIPT AF系統傳輸傳輸容量更大，這一點結論，將在后續的仿真中得到驗證。

圖6 不同天線配置下的SWIPT DF系統傳輸中斷概率仿真分析

對于SWIPT系統而言，功率分配因子是非常關鍵的系統性能評價參數之一。圖7和圖8分別給出了不同功率分配因子下的SWIPT 系統傳輸中斷概率和容量性能仿真比較。在仿真的過程中，中繼節點數目設置為3，目的節點數目設置為3。中斷速率設置為1，路徑損耗分量為2.7，攜能轉換效率為0.7，路徑損耗為10，中繼路徑和直傳路徑的選擇門限值為10dB。在不同功率分配因子下的SWIPT 系統中斷概率性能仿真比較中，橫坐標表示功率分配因子，范圍在0.1∶0.05∶0.9，縱坐標表示的是中斷概率，觀察仿真圖可以發現，隨著功率分配因子的增大，SWIPT AF系統和SWIPT DF系統的中斷性能都先減小后增大，存在的全局的最小值，我們注意到，解碼轉發的SWIPT 系統性能優于放大轉發的SWIPT系統性能，且獲得兩個系統最優值的功率分配因子不同，SWIPT AF 系統的最優功率分配因子在0.35，而SWIPT DF 系統的最優功率分配因子在0.45。

圖7 不同功率分配因子下的SWIPT系統中斷概率性能仿真比較

圖8 不同功率分配因子下的SWIPT系統傳輸容量性能仿真比較

在不同功率分配因子下的SWIPT 系統傳輸容量性能仿真比較中，橫坐標表示功率分配因子，范圍在0.1∶0.05∶0.9，縱坐標表示的是傳輸容量，觀察仿真圖可以發現，隨著功率分配因子的增大，SWIPT AF 系統和SWIPT DF 系統的中斷性能都先增大后減小，存在的全局的最大值。我們注意到，解碼轉發的SWIPT 系統性能同樣優于放大轉發的SWIPT系統性能，且獲得兩個系統最優值的功率分配因子相同，SWIPT AF系統和SWIPT DF系統的最優功率分配因子均在0.3。因此，實際應用中，將最佳功率分配因子設置在0.3，能夠較好地兼顧系統中斷概率和傳輸容量。

5 結語

本文設計了基于門限選擇的SWIPT 中繼傳輸系統，借助Matlab 軟件搭建了系統仿真模型，利用傳輸容量和中斷概率作為性能評價指標，仿真分析了不同參數配置下的系統性能比較，解釋了關鍵參數對SWIPT系統性能的影響。通過仿真發現，相比于單中繼通信場景，不同天線配置下的SWIPT系統性能均獲得了大幅度的提升，目的節點數目或者中繼節點數目的增加，有助于提升系統傳輸性能，解碼轉發的SWIPT 系統性能優于放大轉發的SWIPT系統性能，實際應用中，將最佳功率分配因子設置在0.3，能夠較好地兼顧系統中斷概率和傳輸容量。本課題的研究成果，為促進SWIPT技術的深入理解和推動SWIPT技術的具體應用，提供了重要的參考。