能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇和功率分配*

李 瑋,丁長文,楊 霖

(1.四川郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心,成都610067;

2.電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都611731)

能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇和功率分配*

李 瑋**1,丁長文2,楊 霖2

(1.四川郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心,成都610067;

2.電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都611731)

結(jié)合能量收集技術(shù),研究了放大轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能?；陔p向中繼系統(tǒng)中的兩個(gè)端到端信噪比平衡準(zhǔn)則,推導(dǎo)出了單中繼選擇情況下信源最優(yōu)的功率分配方案和中繼最優(yōu)的能量收集比例。仿真結(jié)果證明所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)最好的系統(tǒng)性能。通過比較發(fā)現(xiàn),能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)比傳統(tǒng)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的傳輸速率。

雙向中繼網(wǎng)絡(luò);能量收集;功率分配;中繼選擇

1 引 言

中繼協(xié)作通信技術(shù)能夠有效增加小區(qū)的覆蓋面積和降低陰影效應(yīng),因而受到了廣泛的關(guān)注。然而,單向中繼采用半雙工的工作模式降低了系統(tǒng)的頻譜效率,雙向中繼能夠完美地解決這一問題,成為近年來無線通信的研究熱點(diǎn)[1-3]。

在所有的中繼協(xié)議中,放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward,AF)相對(duì)于解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-Forward,DF),和壓縮轉(zhuǎn)發(fā)(Compress-and-Forward, CF)等是最簡單的,也是最常用的。在放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議中,中繼只需對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大然后轉(zhuǎn)發(fā)給接收端[4]。

雖然中繼可以通過更換電池或充電補(bǔ)充能量等方式延長使用時(shí)間,但是費(fèi)用昂貴且極不方便。為了解決這一問題,研究人員提出了能量收集(Energy Harvesting,EH)技術(shù),該技術(shù)能夠極大地延長中繼的使用期,成為目前無線通信的研究熱點(diǎn)[5-8]。該技術(shù)利用了射頻信號(hào)可以同時(shí)傳輸信息和能量的特性,中繼可以通過收集周圍空間的射頻信號(hào)的能量進(jìn)行信號(hào)處理[5-6]。文獻(xiàn)[7]研究了不同中繼協(xié)議對(duì)于能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)總傳輸速率的影響,并給出了最優(yōu)的中繼協(xié)議選擇方案。文獻(xiàn)[8]為能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種功率分割中繼協(xié)議(Power Splitting-Based Relaying,PSR),中繼將接收到的信號(hào)的一部分轉(zhuǎn)換成能量,并用這部分能量將余下的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給接收端。

功率分配(Power Allocation,PA)和中繼選擇(Relay Selection,RS)是提升雙向中繼網(wǎng)絡(luò)性能的兩種主要方式[9-11]。在雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中,合理地選取性能最優(yōu)的中繼能提高系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于誤碼率的最優(yōu)中繼選取方式,并在此基礎(chǔ)上提出了一種復(fù)雜度較低的次優(yōu)最大最小中繼選擇方式;文獻(xiàn)[10]提出了一種基于信噪比(Signal-to -Noise Ratio,SNR)平衡準(zhǔn)則的最優(yōu)聯(lián)合功率分配和中繼選擇算法;文獻(xiàn)[11]研究了全雙工的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇方式;文獻(xiàn)[12]證明了端到端均衡準(zhǔn)則可以得到雙向中繼系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配算法。

本文基于端到端信噪比平衡準(zhǔn)則[10,12],提出了結(jié)合能量收集技術(shù)的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合功率分配和中繼選擇算法,通過推導(dǎo)獲得了兩個(gè)信源最優(yōu)的功率分配和中繼節(jié)點(diǎn)最優(yōu)的能量收集比例(Energy Harvesting Proportion,EHP),并選取性能最優(yōu)的中繼進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)。與傳統(tǒng)的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)相比較,證明了能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)越性。

2 系統(tǒng)模型

雙向多中繼網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示,系統(tǒng)由兩個(gè)信源節(jié)點(diǎn)S1、S2和N個(gè)能量收集的中繼(Ri,i=1,2,…,N)構(gòu)成。在系統(tǒng)中,所有節(jié)點(diǎn)都只具有一根天線。假定信源之間沒有直達(dá)的通信鏈路,只能通過中繼的協(xié)助進(jìn)行信息交流。雙向中繼的信息交流在兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成:第一個(gè)時(shí)隙,兩個(gè)信源同時(shí)向所有中繼發(fā)送信息,中繼接收到一個(gè)疊加信號(hào);第二個(gè)時(shí)隙,性能最優(yōu)的中繼同時(shí)向兩個(gè)信源轉(zhuǎn)發(fā)接收到的疊加信號(hào)。

圖1　雙向中繼網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 The two-way relay network model

圖1中,hi、gi分別表示信源S1、S2到中繼的信道參數(shù),我們考慮信道是準(zhǔn)靜態(tài)衰落的,其分布滿足hi～CN(0,σ2hi)和gi～CN(0,σ2gi)。在通信節(jié)點(diǎn)S1、S2和Ri處的高斯白噪聲分布為n1～CN(0,σ21)、n2～CN(0,σ22)和n～CN(0,σ2)。

第一個(gè)時(shí)隙,信源Sk(k=1,2)向中繼發(fā)送信號(hào)為sk,中繼Ri接收到的疊加信號(hào)為

式中:ps,1、ps,2分別表示兩個(gè)信源的發(fā)送功率。

基于文獻(xiàn)[8]中的功率分割中繼協(xié)議,接收信號(hào)以ρi:1-ρi的比例分割成兩個(gè)部分,其中一部分被能量收集接收器接收,轉(zhuǎn)換成能量,另一部分被信號(hào)處理接收器接收。由于系統(tǒng)采用AF中繼協(xié)議,不需要再對(duì)信號(hào)進(jìn)行其他處理,只需要用轉(zhuǎn)換得到的能量將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)出去即可,如圖2所示。

圖2　功率分割中繼協(xié)議Fig.2 The power splitting-based relaying protocol

能量收集接收器接收的信號(hào)為

所以中繼用于轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的功率為

pri=ηρi(|hi|2ps,1+|gi|2ps,2+σ2)。(3)

式中:0≤η≤1為能量收集接收器的能量轉(zhuǎn)換效率。

余下信號(hào)用于中繼轉(zhuǎn)發(fā)給接收端,可以表示為

式中:na是信號(hào)從通帶轉(zhuǎn)換到基帶疊加的高斯白噪聲,其分布是na～CN(0,σ2a)。

因此,中繼的放大參數(shù)可以表示為

第二個(gè)時(shí)隙,信源接收到的信號(hào)為在公式(6)中,yi*(i=1,2)的第一項(xiàng)表示雙向

中繼網(wǎng)絡(luò)中的自干擾信號(hào),第二項(xiàng)表示接收端希望接收到的信號(hào),后面幾項(xiàng)為各個(gè)信號(hào)處理階段疊加的高斯白噪聲。

假定系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)具有完全的信道信息,則信源可以完美地消除自干擾,即公式(6)中的第一項(xiàng),則接收信號(hào)可以表示為

3 聯(lián)合功率分配和中繼選擇算法

傳統(tǒng)的中繼選擇方法運(yùn)用了最大最小(maxmin)算法[9],由于雙向中繼系統(tǒng)的性能主要受性能比較差的鏈路的影響,所以算法首先在每一中繼的兩條鏈路中選擇較小的端到端信噪比,然后建立所有中繼的一個(gè)集合,在集合中選取最大值,其下標(biāo)即為選擇的中繼。問題可以表示為

式中:P為系統(tǒng)總發(fā)送功率。

由式(8)～(9)可以將ps,1、ps,2用ρi表示出來,如公式(10)所示:(10)

文獻(xiàn)[10]提出了傳統(tǒng)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合功率分配的中繼選擇算法。通過功率分配,當(dāng)SNR1,i=SNR2,i時(shí),系統(tǒng)具有最優(yōu)的性能。能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的不同之處在于:系統(tǒng)不再提供中繼節(jié)點(diǎn)的功率分配,而由中繼自身通過收集射頻信號(hào)的能量得到,即系統(tǒng)的限制條件可以表示為令F=SNR1,i+SNR2,i,顯然,當(dāng)F取得最大值時(shí),

系統(tǒng)的性能最好。將式(10)代入方程F得

對(duì)方程求微分,可以得到

該方程的極值即為最優(yōu)的能量收集參數(shù):

4 仿真分析

我們考慮一個(gè)具有兩個(gè)信源、中繼數(shù)目N=6的雙向中繼系統(tǒng)。噪聲功率設(shè)為σ2=1,信道參數(shù)hi、gi是獨(dú)立同分布的,且其方差為。

圖3為考慮了本文提出的能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)在完美的信道估計(jì)下的聯(lián)合功率分配和中繼選擇算法和其他3種情況的比較。情況1為本文提出的算法:最優(yōu)的功率分配,最優(yōu)中繼選擇和最優(yōu)的能量收集比例(O-PA&O-RS&O-EHP)。情況2:最優(yōu)功率分配,最優(yōu)的中繼選擇和固定的能量收集比例(O -PA&O-RS&F-EHP)。情況3:平均功率分配,最優(yōu)的中繼選擇和固定的能量收集比例(E-PA&ORS&F-EHP)。情況4:平均功率分配,隨機(jī)的中繼選擇和固定的能量收集比例(E-PA&R-RS&FEHP)。其中固定的能量收集比例為ρ0=0.5,能量轉(zhuǎn)換效率η=0.9,信道方差=10。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn),情況1能夠得到最快的和傳輸速率,但是對(duì)情況2的優(yōu)勢并不大;情況2相比情況3有稍微的性能優(yōu)勢,其原因是能量收集雙向中繼只在兩個(gè)信源做功率的分配,考慮信道是獨(dú)立同分布的,則發(fā)送功率差距并不明顯,所以最優(yōu)的功率分配和平均功率分配情況下性能差距不大;情況4性能最差,說明在能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中,選擇最優(yōu)中繼進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)系統(tǒng)性能有巨大的影響。

圖3　能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)在不同功率分配和中繼選擇算法下的性能(N=6,ρ0=0.5,η=0.9,σ2hi=σ2gi=10)Fig.3 Performance of the energy harvesting two-way relay network versus different power allocation and relay selection methods(N=6,ρ0=0.5,η=0.9,σ2hi=σ2gi=10)

圖4對(duì)文獻(xiàn)[10]的傳統(tǒng)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)和能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行比較,信道方差均為σ2hi=σ2gi=10。兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型分別考慮了最優(yōu)的功率分配和中繼選擇(O-PA&O-RS)情況以及等功率分配和最優(yōu)中繼選擇(E-PA&O-RS)情況,其中在能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中,能量轉(zhuǎn)換效率η=0.9。比較發(fā)現(xiàn),能量收集網(wǎng)絡(luò)即使是在信源等功率發(fā)送信號(hào)時(shí)也能夠得到比傳統(tǒng)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)更高的和傳輸速率,說明能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)不但有比傳統(tǒng)的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)更長的使用周期,不需要對(duì)中繼更換電池或充電,還有更好的系統(tǒng)性能。

圖4　能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)性能比較(N=6,η=0.9,σ2hi=σ2gi=10)Fig.4 Performance comparison between the energy harvestingtwo-way relay network and conventional two-wayrelay network(N=6,η=0.9,σ2hi=σ2gi=10)

5 結(jié)束語

本文研究了能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能?；诙说蕉诵旁氡绕胶鉁?zhǔn)則,提出了最優(yōu)聯(lián)合功率分配和中繼選擇方法,獲得了信源最優(yōu)的功率分配和中繼最優(yōu)的能量收集比例。仿真結(jié)果顯示,本文提出的方法能夠?qū)崿F(xiàn)最大的總傳輸速率。與傳統(tǒng)的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)比較發(fā)現(xiàn),能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)有更好的系統(tǒng)性能。

本文提出的單中繼選擇和功率分配方案對(duì)于能量收集技術(shù)和協(xié)作通信的實(shí)際應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義,未來的研究將主要針對(duì)能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中的多中繼選擇和功率分配。

[1] 王林,芮國勝,張洋.雙向多中繼協(xié)同通信系統(tǒng)的性能分析[J].電訊技術(shù),2014,54(11):1457-1462. WANG Lin,RUI Guosheng,ZHANG Yang.Performance analysis of two-way multi-relay cooperative communication systems[J].Telecommunication Engineering,2014, 54(11):1457-1462.(in Chinese)

[2] 王麗元,覃蓮,肖海林,等.雙中繼協(xié)作通信的功率分配改進(jìn)方案[J].電訊技術(shù),2014,54(2):145-150. WANG Liyuan,QIN Lian,XIAO Hailin,et al.Power allocation for two relays cooperative communication[J].Telecommunication Engineering,2014,54(2):145-150. (in Chinese)

[3] XIE X Q,PENG M G,ZHAO B,et al.Maximum a posteriori based channel estimation strategy for two-way relaying channels[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2014,13(1):450-463.

[4] YUKSEL M,ERKIP E.Multiple-antenna cooperative wireless systems:a diversity-multiplexing tradeoff per-spective[J].IEEE Transactions on Information Theory, 2007,53(10):3371-3373.

[5] VARSHNEY L R.Transporting information and energy simultaneously[C]//Proceedings of 2008 IEEE International Symposium on Information Theory.Cambridge: IEEE,2008:1612-1616.

[6] WEN Z G,WANG S,FAN C X,et al.Joint transceiver and power splitter design over two-way relaying channel with lattice codes and energy harvesting[J].IEEE Communications Letters,2014,18(11):2039-2042.

[7] TUTUNCUOGLU K,VARAN B,YENER A.Throughput maximization for two-way relay channels with energy harvesting nodes:the impact of relaying strategies[J].IEEE Transactions on Communications,2015,63(6):2081-2093.

[8] NASIR A A,ZHOU X Y,DURRANI S,et al.Relaying protocols for wireless energy harvesting and information processing[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2013,12(7):3622-3636.

[9] SONG L Y.Relay selection for two-way relaying with amplify-and-forward protocols[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60(4):1954-1959.

[10] TALWAR S,JING Y D,SHAHBAZPANAHI S.Joint relay selection and power allocation for two-way relay networks[J].IEEE Signal Processing Letters,2011,18 (2):91-94.

[11] CUI H Y,MA M,SONG L Y,et al.Relay selection for two-way full duplex relay networks with amplify-andforward protocol[J].IEEE Transactions on Wireless Communication,2014,13(7):3768-3777.

[12] YI Z H,JU M C,KIM I.Outage probability and optimum power allocation for analog network coding[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2011, 10(2):407-412.

李 瑋(1981—),女,四川宜賓人,2012年獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為講師,主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信新技術(shù)、通信與測控技術(shù);

LI Wei was born in Yibin,Sichuan Province,in 1981.She received the M.S.degree in 2012.She is now a lecturer.Her research concerns new technology for mobile communication, communication and measorement&control technology.

Email:27939950@qq.com

丁長文(1992—),男,四川達(dá)州人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)閰f(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇和功率分配;

DING Changwen was born in Dazhou,Sichuan Province,in 1992.He is now a graduate student.His research concerns relay selection and power allocation of cooperative communication.

楊 霖(1977—),男,四川人,2007年獲博士學(xué)位,現(xiàn)為副教授,主要研究方向?yàn)闊o線與移動(dòng)通信、現(xiàn)代通信中的信號(hào)處理。

YANG Lin was born in Sichuan Province,in 1977.He received the Ph.D.degree in 2007.He is now an associate professor.His research concerns wireless and mobile communication, signal processing in modern communication.

Email:eelyang@uestc.edu.cn

Relay Selection and Power Allocation for Energy Harvesting Two-way Relay Networks

LI Wei1,DING Changwen2,YANG Lin2
(1.The Experimental Training Center,Sichuan Post and Telecommunication College,Chengdu 610067,China;
2.National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,
University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China)

The performance of amplify-and-forward based two-way relay network is analyzed in combination with energy harvesting technology.According to the end-to-end signal-to-noise ratio(SNR)balancing criterion,the optimal power allocation of two sources and the optimal energy harvesting proportion of the single selected relay are derived.Simulation results show that the proposed method can achieve the best performance.Comparison shows that energy harvesting two-way relay communication network has a higher achievable transmission rate than conventional two-way relay network.

two-way relay network;energy harvesting;power allocation;relay selection

**通信作者:27939950@qq.com 27939950@qq.com

TN925

A

1001-893X(2016)11-1255-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.11.013

2016-03-11;

2016-07-15

date:2016-03-11;Revised date:2016-07-15

引用格式:李瑋,丁長文,楊霖.能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇和功率分配[J].電訊技術(shù),2016,56(11):1255-1259.[LI Wei,DING Changwen,YANG Lin.Relay selection and power allocation for energy harvesting two-way relay networks[J].Telecommunication Engineering,2016,56(11):1255-1259.]