無線攜能網(wǎng)絡(luò)中一種基于時(shí)隙切換的中繼輔助信能同傳協(xié)議

洪鑫龍 許曉榮 石振波

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

1 引言

近年來，不斷擴(kuò)大的信息通信技術(shù)(Information and Communication Technology，ICT)產(chǎn)業(yè)規(guī)模，大量普及的智能移動(dòng)終端，以及激增的數(shù)據(jù)流量需求和無處不在的無線接入服務(wù)，極大地增加了智能移動(dòng)設(shè)備的能量消耗[1]。智能移動(dòng)設(shè)備普遍由儲(chǔ)電量受限的電池供應(yīng)電能，而電池儲(chǔ)電量已成為限制網(wǎng)絡(luò)使用壽命的瓶頸，因?yàn)樵谶^去數(shù)十年間，電池儲(chǔ)電量并沒有顯著性擴(kuò)大。針對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)低能耗，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)生命周期的需求，無線信息與能量協(xié)同傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。

在以往的研究中，無線能量傳輸(Wireless Power Transfer，WPT)和信息傳輸(Wireless Information Transfer，WIT)應(yīng)對(duì)不同的研究需求，衡量系統(tǒng)的好壞有不同的性能指標(biāo)：無線能量傳輸側(cè)重于能量傳輸效率最大化，而無線信息傳輸則偏重于在噪聲干擾和信道衰減過程中信道傳輸速率最大化[3]。近年來，人們發(fā)現(xiàn)射頻信號(hào)中同時(shí)蘊(yùn)含信息和能量，通過調(diào)整設(shè)計(jì)，統(tǒng)一設(shè)計(jì)目標(biāo)，WPT和WIT可以找到折衷點(diǎn)[4]。

在實(shí)際的通信網(wǎng)絡(luò)中，信源發(fā)送的信息大多由多個(gè)可利用的中繼協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)。傳統(tǒng)半雙工中繼傳輸?shù)哪Ｊ绞乔昂髸r(shí)隙依次接收和轉(zhuǎn)發(fā)。若中繼在接收與轉(zhuǎn)發(fā)兩條線路中有一條線路狀況不理想，將導(dǎo)致信息傳輸速率下降。因此傳統(tǒng)半雙工中繼協(xié)作模式的性能受限于信道狀況[5]。

為應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)半雙工中繼傳輸技術(shù)的不足，本文采用協(xié)作傳輸技術(shù)。協(xié)作傳輸作為一種新型無線傳輸技術(shù)，通過多用戶協(xié)作達(dá)到多用戶之間的空間分集，能夠顯著提高無線傳輸?shù)目煽啃浴Ｗ鳛橐环N新型的傳輸技術(shù)，協(xié)作傳輸技術(shù)可應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)[6],中繼蜂窩網(wǎng)絡(luò)[7],移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[8]，無線攜能網(wǎng)絡(luò)[9]。

作為一種新型的能量傳輸技術(shù)，無線能量與信息協(xié)同傳輸?shù)哪Ｊ饺缦拢簺]有電能供電的節(jié)點(diǎn)，在后續(xù)無線通信鏈路傳輸信號(hào)前，需要從周圍的射頻信號(hào)中收集能量并且儲(chǔ)存[10]。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不必配置容量受限的電池，同時(shí)對(duì)外界環(huán)境依賴性小，不必從自然環(huán)境中收集能量(如地?zé)崮?、潮汐能、太陽能?[11]。

目前，基于中繼的無線信息與能量協(xié)同傳輸已有大量研究工作[12-14]。文獻(xiàn)[12]考慮用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的認(rèn)知無線攜能通信網(wǎng)絡(luò)，其由主用戶通信和認(rèn)知通信系統(tǒng)組成，該文獻(xiàn)提出了信息反向散射通信(BackCom)模式和能量收集模式的混合傳輸機(jī)制；文獻(xiàn)[13]研究了具有反向散射模式的射頻攜能通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)在休眠狀態(tài)下收集能量，在活動(dòng)狀態(tài)下以反向散射模式發(fā)送信息；文獻(xiàn)[14]提出了一種包括混合接入點(diǎn)和多用戶反向散射模式輔助的無線攜能通信網(wǎng)絡(luò)，通過最優(yōu)用戶的工作模式選擇與時(shí)間分配，以最優(yōu)傳輸策略得到最大化總吞吐量。

無線攜能通信技術(shù)使得能量與信息資源得到了有效利用。為了滿足綠色通信需求，無線攜能網(wǎng)絡(luò)能量效率的研究也得到廣泛開展[15-17]。協(xié)作中繼通信有兩個(gè)重要性能指標(biāo)，一是描述網(wǎng)絡(luò)可靠性的中斷概率，刻畫網(wǎng)絡(luò)在中繼節(jié)點(diǎn)的幫助下成功傳輸信息的概率；二是描述網(wǎng)絡(luò)能量利用率的能效[18]。針對(duì)SWIPT網(wǎng)絡(luò)中可靠性與能效折衷問題，論文設(shè)計(jì)了基于TS的中繼輔助信能同傳協(xié)議與SWIPT中繼接收機(jī)結(jié)構(gòu)，研究了一種保障能效的自適應(yīng)中繼輔助信能同傳協(xié)議。以能效作為目標(biāo)函數(shù)，論文推導(dǎo)了能量收集約束下的系統(tǒng)中斷概率，分別分析了系統(tǒng)中斷性能(OP)與能效性能(EE)，分析了時(shí)隙切換因子對(duì)OP與EE的影響。

2 系統(tǒng)建模與假設(shè)

在給出信息與能量同傳協(xié)議之前，論文給出以下假設(shè)[19]：

(1)發(fā)送端S1、S2和目的接收端D電路中信號(hào)處理的功率很小，可忽略不計(jì)。

(2)系統(tǒng)中所有信道均滿足瑞利平坦塊衰落。信道系數(shù)為hsir和hrd，在網(wǎng)絡(luò)中一次單向傳輸信息完成的時(shí)間間隔T內(nèi)，信道系數(shù)不變且相互獨(dú)立。

(3)中繼節(jié)點(diǎn)R儲(chǔ)存能量空間足夠大，同時(shí)信息緩存存儲(chǔ)空間也足夠大。故可忽略能量和信息的溢出問題。

圖1為無線攜能網(wǎng)絡(luò)基于時(shí)隙切換的中繼輔助信息與能量傳輸場(chǎng)景圖。SWIPT中繼具有信息傳輸與能量收集功能。源節(jié)點(diǎn)S1和S2由電源供電，沒有電能供應(yīng)的中繼R能量受限，R需要從S1和S2發(fā)送的射頻信號(hào)中接收能量并存儲(chǔ)，全部用于后續(xù)中繼R到目的地節(jié)點(diǎn)D的信息傳輸。在中繼R的輔助下，源節(jié)點(diǎn)S1和S2向目的地節(jié)點(diǎn)D分別發(fā)送獨(dú)立的信號(hào)x1和x2。

本文假設(shè)SWIPT網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)信道模型為平坦瑞利塊衰落。信道系數(shù)hi, j(i,j∈S,R,D,1,2)服從獨(dú)立循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯隨機(jī)變量，在一次雙向傳輸信息交換完成的時(shí)間間隔T內(nèi)，信道系數(shù)保持不變。ni, j(i,j∈S,R,D,1,2)為加性高斯白噪聲。

圖1 無線攜能網(wǎng)絡(luò)基于時(shí)隙切換的中繼輔助信息與能量傳輸場(chǎng)景圖

圖2為基于時(shí)隙切換的SWIPT中繼接收機(jī)結(jié)構(gòu)。該接收機(jī)由時(shí)隙切換器、能量收集器與信息收發(fā)機(jī)組成。Si發(fā)送的信號(hào)在(1-σ)T/2的時(shí)間內(nèi)，由中繼R的能量收集器收集能量，在σT/3的時(shí)間內(nèi)，則由中繼R處的信息收發(fā)機(jī)譯碼信息，其中σ∈[0，1]，中繼能量存儲(chǔ)器管理每個(gè)時(shí)隙的時(shí)隙切換因子。

圖2 基于時(shí)隙切換的SWIPT中繼接收機(jī)結(jié)構(gòu)

表1為基于時(shí)隙切換的中繼輔助信息與能量傳輸方法時(shí)隙分配表。假定T為一次雙向傳輸?shù)目倳r(shí)間，時(shí)隙切換因子σ表示信息傳輸?shù)臅r(shí)間比例，σT表示用于信息傳輸?shù)臅r(shí)間，平均分成三部分，依次為S1向R的信息傳輸，S2向R的信息傳輸，R向D廣播信息。(1-σ)T表示中繼R從發(fā)送信號(hào)xi(i=1,2)采集能量的時(shí)間，平均分成兩部分，依次為從S1中收集能量，從S2中收集能量。在R向D廣播信息階段，R將收到的信息x1和x2進(jìn)行合并，形成新的信號(hào)xR,并利用收集到的能量向D進(jìn)行廣播。

表1 基于時(shí)隙切換的中繼輔助信息與能量傳輸方法時(shí)隙分配表

S1和S2分別以功率P1和P2廣播信息x1和x2，用戶D和SWIPT中繼R都能收到此消息。用戶D收到的信息ys1d和ys2d分別為：

(1)

(2)

其中，xi是單位功率信號(hào)；hs1d和hs2d分別為S1到D和S2到D鏈路的信道。特別地，ysid(i=1,2)并非D接收Si的直接有用信號(hào)，但能夠輔助D從中繼傳送的混合信號(hào)xR中譯碼源信號(hào)。

同時(shí)，在中繼信息收發(fā)機(jī)處理后，中繼R收到的基帶信號(hào)yr,i為：

(3)

其中，hs1r是Si到D鏈路的信道。在中繼能量接收機(jī)處理后，中繼從Si發(fā)送的源信號(hào)中采集到的能量為：

(4)

在Si向x1和x2發(fā)送信號(hào)的過程中，中繼收集到E1+E2的能量，并將收集到的能量全部用于后續(xù)向D廣播信號(hào)。中繼在向目的節(jié)點(diǎn)廣播階段的發(fā)送功率為：

(5)

收到的信號(hào)yr,1和yr,2先被中繼合并成信號(hào)xR，之后以功率Pr向D廣播信息。其中

xR=φ1yr,1+φ2yr,2

(6)

φi(i=1,2)為信號(hào)yr,1和yr,2的加權(quán)合并系數(shù)，選取如下：

(7)

其中，θ1+θ2=1。無論θi取何值，xR總是單位功率信號(hào)，式(7)具有一般意義，在文獻(xiàn)[13]中亦采用[13]。

D收到中繼R的廣播信號(hào)：

(8)

由于可以從式(1)和式(2)中譯碼出x1(x2)，因此D能從接收信號(hào)yrd中除去干擾信號(hào)x2(x1)。獲得無擾信號(hào)：

(9)

3 中斷性能(OP)分析

(10)

(11)

當(dāng)式(11)的互信息小于指定速率Rt時(shí)便會(huì)發(fā)生中斷，中斷概率為：

Prout=Pr(I1

(12)

設(shè)定速率閾值Rt，采用信息與能量協(xié)同傳輸協(xié)議的系統(tǒng)中斷概率可由下式計(jì)算：

(13)

(14)

4 能效(EE)分析

定義能效為源端單位能量消耗下鏈路實(shí)現(xiàn)的信道容量或可達(dá)傳輸速率。能效表達(dá)式記為：

(15)

其中，Ii為Si-R鏈路的信道容量，(ESi-Ei)為Si-R鏈路的能量消耗。

上式可進(jìn)一步表示為：

(16)

5 數(shù)值仿真與分析

文獻(xiàn)[16]中提出了基于時(shí)隙切換的協(xié)作多用戶傳輸(TimeSwitching-basedCooperativeMulti-userTransmission,TSCMT)協(xié)議。該協(xié)議模型由一個(gè)源發(fā)送端，一個(gè)中繼，兩個(gè)目的節(jié)點(diǎn)組成。該文獻(xiàn)僅分析了TSCMT協(xié)議中斷概率，并未對(duì)能效進(jìn)行分析。

本文系統(tǒng)模型可作為TSCMT協(xié)議系統(tǒng)模型的鏡像，模型由兩個(gè)源發(fā)送端、一個(gè)中繼、一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)組成。SWIPT中繼R同時(shí)具有傳輸信息和收集能量功能。中繼R能量受限，R需要從源節(jié)點(diǎn)S1和S2中收集能量并存儲(chǔ)。它利用收集到的能量向目的節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行信息傳輸。在SWIPT中繼R的輔助下，兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)D分別發(fā)送獨(dú)立的信號(hào)。本文系統(tǒng)場(chǎng)景圖如圖1所示。論文通過仿真研究了所提基于TS的中繼輔助信能同傳協(xié)議中斷性能與能效，以及時(shí)隙切換因子對(duì)中斷概率與能效的影響。

給定頻帶利用率Rt=1bit/s/Hz，η=1，歸一化距離dsid=1，S1和S2之間的歸一化距離為1；信道噪聲為高斯白噪聲，噪聲方差σ2=10-5；指數(shù)型隨機(jī)變量的均值為|h|2=1。

圖3給出了在不同源發(fā)送功率情況下，時(shí)隙切換因子對(duì)SWIPT網(wǎng)絡(luò)中斷性能的影響。由圖可知，隨著時(shí)隙切換因子的增大，用于信息傳輸?shù)哪芰刻岣?，鏈路可達(dá)速率提升，因此系統(tǒng)中斷概率逐漸下降。在相同的時(shí)隙切換因子下，較高的源發(fā)送功率可以獲得較低的中斷概率。

圖3 時(shí)隙切換因子對(duì)無線攜能網(wǎng)絡(luò)中斷性能的影響

圖4給出了源-中繼距離對(duì)SWIPT網(wǎng)絡(luò)中斷性能的影響。設(shè)時(shí)隙切換因子σ=0.5，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率較低時(shí)，隨著源與中繼之間距離的增加，中斷概率緩慢上升。即當(dāng)中繼離源端較近時(shí)，采用本協(xié)議，可得到穩(wěn)定的低中斷概率。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率上升到足夠大時(shí)(如PS=30dB)，源與中繼之間距離的增加對(duì)系統(tǒng)中斷性能的影響則可忽略不計(jì)(中斷概率幾乎無變化)。

圖4 源-中繼距離對(duì)無線攜能網(wǎng)絡(luò)中斷性能的影響

圖5給出了能效與時(shí)隙切換因子的關(guān)系。假定源-中繼距離小于歸一化距離1，當(dāng)近距離傳輸時(shí)，鏈路可達(dá)速率較大，但以損耗較大的能量為代價(jià)，所以能效偏低。由圖可知，當(dāng)源發(fā)送功率S1=10dB，隨著時(shí)隙切換因子的增大，用于信息傳輸?shù)哪芰枯^大，鏈路可達(dá)速率增大，同時(shí)能量消耗的速度降低，因此能效逐漸上升。在相同時(shí)隙切換因子下，較高的功率轉(zhuǎn)換效率能得到高能效。

圖5 能效與時(shí)隙切換因子關(guān)系

圖6給出了能效與源發(fā)送功率的關(guān)系。假定源-中繼距離小于歸一化距離1，當(dāng)近距離傳輸時(shí)，鏈路可達(dá)速率較大，但以損耗較大的能量為代價(jià)，所以能效偏低。由圖可知，當(dāng)時(shí)隙切換因子σ=0.5，隨著源發(fā)送功率的增加，有效提高了鏈路傳輸速率，但鏈路的能量損耗隨之增加，故系統(tǒng)能效下降。與圖5類似，當(dāng)源發(fā)送功率一定時(shí)，高功率轉(zhuǎn)換效率意味著高能效。但在相同的能效指標(biāo)要求下，高功率轉(zhuǎn)換效率所需較大的源發(fā)送功率。

圖6 能效與源發(fā)送功率關(guān)系

6 結(jié)論

論文以綠色無線攜能網(wǎng)絡(luò)為研究背景，研究了基于TS的中繼輔助信能同傳協(xié)議。在節(jié)點(diǎn)能量受限情況下，給出了基于TS的中繼接收機(jī)輔助信息與能量傳輸方法，推導(dǎo)了SWIPT網(wǎng)絡(luò)中繼協(xié)作傳輸?shù)闹袛喔怕屎湍芰啃时磉_(dá)式。研究表明，高時(shí)隙切換因子在滿足能效的性能要求時(shí)，能得到較低的中斷概率。論文同時(shí)分析了源節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率對(duì)SWIPT中斷性能與能效的影響。為兼顧中斷性能與能效，源節(jié)點(diǎn)不能以最大功率發(fā)送信號(hào)，應(yīng)當(dāng)以“最優(yōu)”功率發(fā)送信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)OP與EE的最佳折衷。