基于分組內(nèi)時(shí)間切換的無(wú)線信息與功率中繼傳輸

魯聰聰 劉洪武,2

（1.山東交通學(xué)院信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南，250357；2.仁荷大學(xué)信息與通信工程學(xué)，仁川，22212）

引 言

近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破使大規(guī)模無(wú)線連接成為可能[1-2]。無(wú)線供電通信已經(jīng)成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中一種重要的使能技術(shù)。通過(guò)從環(huán)境周圍或?qū)俚纳漕l信號(hào)中采集能量，具有能量受限特點(diǎn)的無(wú)線節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行無(wú)線充電來(lái)延長(zhǎng)其生命周期。由于射頻信號(hào)可以同時(shí)攜帶信息和能量，無(wú)線信息與功率同步傳輸（Simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT）在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛研究。最近，SWIPT技術(shù)還被拓展到無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)[3-5]。文獻(xiàn)首先研究了針對(duì)放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間切換中繼和功率切換中繼這兩種機(jī)制。接著，文獻(xiàn)[4]將SWIPT技術(shù)應(yīng)用到譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)多個(gè)中繼協(xié)作的SWIPT網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[5]研究了相應(yīng)的功率分配機(jī)制。此外，SWIPT技術(shù)在多天線的中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)[6-8]和分布式的干擾受限中繼網(wǎng)絡(luò)[9]中都得到了應(yīng)用?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在以5G無(wú)線通信系統(tǒng)為互連支撐的物聯(lián)網(wǎng)泛在應(yīng)用中，作為重要使能技術(shù)之一的SWIPT將發(fā)揮重要作用。

在采用SWIPT的中繼網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)現(xiàn)有研究工作設(shè)定中繼節(jié)點(diǎn)將其在每一傳輸分組內(nèi)收集的能量全部用于信息中繼[3-9]。這種操作方式可能導(dǎo)致系統(tǒng)只能獲取次優(yōu)性能，其原因包括：首先，當(dāng)信源-中繼信道受到深度衰落時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)只能收集到數(shù)量非常有限的能量。其次，當(dāng)中繼-信宿信道受到深度衰落時(shí)，即使中繼節(jié)點(diǎn)耗盡其收集的能量，也可能無(wú)法有效地實(shí)現(xiàn)信息中繼。在另一方面，當(dāng)中繼-信宿信道處于良好狀態(tài)時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)應(yīng)該部分地使用其收集的能量，并將剩余能量存儲(chǔ)以備后續(xù)使用。因此，能量累積和優(yōu)化調(diào)配使用成為無(wú)線供電中繼網(wǎng)絡(luò)提升性能的關(guān)鍵[10-13]。

針對(duì)放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[10]提出了一種收集—傳輸—存儲(chǔ)（harvest—transmit—store,HTS）模式，考慮了在中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量累積并采用馬爾科夫鏈對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析。在這種基于馬爾科夫鏈的分析框架下，多種采用能量累積的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線供電中繼機(jī)制得到了研究[11-13]。相比沒(méi)有采用能量累積的收集-傳輸模式，HTS模式能夠有效地提高中斷性能。然而，在現(xiàn)有研究工作中，時(shí)間切換均采用跨分組方式進(jìn)行，即一個(gè)傳輸分組只能進(jìn)行能量收集或信息中繼這兩種模式中的一種。由于實(shí)際中具有小負(fù)載、低延遲和能量不足的特點(diǎn)，無(wú)線供電中繼通常應(yīng)用于短分組傳輸，這導(dǎo)致可用的分組時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于短分組信息傳輸所需的時(shí)間[14]。為有效地利用分組時(shí)長(zhǎng)，本文提出了一種基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式，可在每一分組內(nèi)進(jìn)行時(shí)間切換。在這種模式下，由于電池在一個(gè)分組內(nèi)可工作于先充電后放電或先充電再充電的方式，現(xiàn)有基于馬爾科夫鏈的分析方法不再適用于本文所提的分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式，需要采用新的方法來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)性能分析。

本文的主要貢獻(xiàn)包括：(1)針對(duì)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式。(2)將電池動(dòng)態(tài)的充電—放電/充電—充電行為建模為具有兩步狀態(tài)轉(zhuǎn)移的馬爾科夫鏈，該模型可對(duì)現(xiàn)有HTS模式提供更具一般性的分析框架。(3)與現(xiàn)有瑞利衰落下的系統(tǒng)分析工作不同，本文在Nakagami-m衰落信道下給出了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移矩陣、穩(wěn)態(tài)分布和成傳速率的閉合式。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提HTS模式的性能和閉合表示式的正確性。相比未采用分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式[10]，本文所提HTS模式大幅度提高了中斷性能和成傳速率。

1 系統(tǒng)模型

考慮在兩跳傳輸?shù)陌腚p工中繼網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)信源節(jié)點(diǎn)通過(guò)中繼傳輸向信宿節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。假定信源與信宿之間存在物理障礙，信息傳輸需由一個(gè)能量受限的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)。由于能量受限，中繼節(jié)點(diǎn)需要從信源節(jié)點(diǎn)發(fā)射的射頻信號(hào)中收集能量，并利用其進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)。將信源-中繼信道和中繼-信宿信道分別記為h1和h2，并假定其包含了大尺度和小尺度衰落效應(yīng)。針對(duì)信道的幅度，|hi（|i=1,2），將其建模為Nakagami-m衰落，則信道增益gi= | hi|2服從伽馬分布。對(duì)具有正整數(shù)形狀因子的gi，其累積分布函數(shù)和互補(bǔ)累積分布函數(shù)可分別表示為

式中：mi為形狀因子，θi為尺度因子。對(duì)能量受限節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，可以通過(guò)從能量采集單元開(kāi)始的反向鏈路進(jìn)行兩階段的導(dǎo)頻訓(xùn)練來(lái)獲取信道狀態(tài)信息[15]。因此，本文假定中繼節(jié)點(diǎn)能夠獲取正確的信道狀態(tài)信息。

在文獻(xiàn)[10]中，HTS模式采用跨分組的時(shí)間切換，在分組內(nèi)并不進(jìn)行時(shí)間切換。在本文所提的HTS模式中，時(shí)間切換可在每一分組內(nèi)進(jìn)行，從而提高傳輸?shù)目煽啃?。本文所提HTS模式的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，其每一分組被劃分為兩個(gè)時(shí)隙。對(duì)第一時(shí)隙，其時(shí)長(zhǎng)為αT，中繼在該時(shí)隙內(nèi)切換為能量收集模式μh。對(duì)第二時(shí)隙，其時(shí)長(zhǎng)為(1-α)T，中繼在該時(shí)隙內(nèi)切換能量收集模式μh或信息轉(zhuǎn)發(fā)模式μr。在第二時(shí)隙中，中繼具體切換于哪種模式，取決于電池剩余能量水平和信道狀態(tài)信息。如果中繼在第二時(shí)隙切換到信息轉(zhuǎn)發(fā)模式，則第二時(shí)隙的前半階段(1-α)T/2用于信源-中繼傳輸，后半階段(1-α)T/2用于中繼-信宿傳輸。當(dāng)α=0時(shí)，本文所提HTS模式的幀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為跨分組時(shí)間切換的HTS模式的幀結(jié)構(gòu)[10]。

在第一時(shí)隙內(nèi)，中繼節(jié)點(diǎn)收集到的能量可表示為

式中ηh(0＜ηh＜1)為能量轉(zhuǎn)換效率[16]。如果中繼節(jié)點(diǎn)在第二時(shí)隙切換到信息轉(zhuǎn)發(fā)模式ηr，則中繼節(jié)點(diǎn)在第二時(shí)隙前半階段接收到的信號(hào)可表示為

圖1 每一傳輸分組的幀結(jié)構(gòu)Fig.1 Frame structure of each transmission block

式中：t為分組的時(shí)間標(biāo)識(shí)；xs(t)為信源發(fā)送的信號(hào)；nr(t)為中繼節(jié)點(diǎn)的加性噪聲，其均值為零，方差為。假定中繼節(jié)點(diǎn)正確譯碼，則其轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)為x(t)=x(t-τ)，其中τ≥1為中繼處理延遲。在第

rs二時(shí)隙后半階段，信宿接收到的信號(hào)為

式中：pr為中繼發(fā)射功率；nd(t)為信宿的加性噪聲，其均值為零，方差為σ2d。系統(tǒng)端到端的信噪比可以表示為

式中γr=psg1/和γd=prg2分別為中繼節(jié)點(diǎn)和信宿節(jié)點(diǎn)的接收信噪比。為了保證信宿節(jié)點(diǎn)的正確譯碼，要求其接收信噪比不小于目標(biāo)門(mén)限γth，則可將能夠保證接收譯碼所需的中繼發(fā)射功率表示為

在另一方面，如果中繼節(jié)點(diǎn)在第二時(shí)隙切換到能量收集模式μh，可將其收集的能量表示為

本文后續(xù)對(duì)每一分組傳輸時(shí)隙進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)歸一化處理，則可等效對(duì)待能量和功率。將電池容量表示為pb=ρps(ρ＞0)，則電池容量可離散化為L(zhǎng)+2個(gè)能量等級(jí)φi=ipb/(L+1)，其中i=0,1,…,L+1[10，17]。定義si,i=0,1,…,L+1為L(zhǎng)+2個(gè)能量狀態(tài)，即當(dāng)電池在狀態(tài)si時(shí)，其對(duì)應(yīng)的電池能量為φi?；谶@一離散的電池容量模型，可將中繼節(jié)點(diǎn)在第一時(shí)隙內(nèi)收集的能量表示為φh1=，其中

如果中繼節(jié)點(diǎn)在第二時(shí)隙切換到能量收集模式μh，則其對(duì)應(yīng)收集到的能量為φh2=，其中

如果中繼節(jié)點(diǎn)在第二時(shí)隙切換到信息轉(zhuǎn)發(fā)模式μr，則將會(huì)使用其儲(chǔ)存的能量進(jìn)行發(fā)射。對(duì)應(yīng)于式(7)所示的中繼發(fā)射功率，中繼進(jìn)行發(fā)射需要的能量狀態(tài)為

在一個(gè)傳輸分組內(nèi)，當(dāng)信宿節(jié)點(diǎn)不能正確譯碼時(shí)，發(fā)生一次中斷事件。等效地，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)在第二時(shí)隙切換為能量收集模式時(shí)，發(fā)生一次中斷事件。因此，為減少中斷事件，優(yōu)化的目標(biāo)等效為減少中繼節(jié)點(diǎn)在第二時(shí)隙不進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，HTS模式優(yōu)先使中繼節(jié)點(diǎn)在第二時(shí)隙進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)。在第二時(shí)隙開(kāi)始時(shí)，當(dāng)電池剩余能量可以支持所需的中繼發(fā)射功率，則切換中繼至信息轉(zhuǎn)發(fā)模式，否則切換中繼至能量收集模式。將電池在第一時(shí)隙和第二時(shí)隙的剩余能量分別表示為φ1∈ {φi：0 ≤ i≤ L+1 }和 φ2∈ {φi：0≤i≤L+1}，則可將本文所提HTS模式在第一時(shí)隙表示為μ(1)(t)=μh，在第二時(shí)隙表示為

進(jìn)一步，可將電池的剩余能量狀態(tài)表示為

2 馬爾科夫鏈分析

對(duì)基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式，中繼節(jié)點(diǎn)電池一個(gè)特定的充電-放電/充電-充電行為可用有限狀態(tài)馬爾科夫鏈的一個(gè)特定的狀態(tài)轉(zhuǎn)移來(lái)表示。由于基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式可在第一時(shí)隙和第二時(shí)隙可進(jìn)行不同模式的切換，對(duì)應(yīng)的馬爾科夫鏈在每一傳輸分組內(nèi)都包含兩步狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

假定在每一傳輸分組內(nèi)，電池能量的初始狀態(tài)、中間狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)分別為si，sk和sj，則第一時(shí)隙和第二時(shí)隙發(fā)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)移為si→sk和sk→sj，而在整個(gè)分組內(nèi)發(fā)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)移可表示為si→sk→sj。在第一時(shí)隙內(nèi)，由于能量收集操作，則有k≥i。在第二時(shí)隙內(nèi)，如果中繼處于信息轉(zhuǎn)發(fā)模式μr，有k＞ j；如果中繼處于能量收集模式，則有k≤ j。當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí)，對(duì)si→ sk→ sj有k≤ j；當(dāng)非中斷事件發(fā)生時(shí)，對(duì)s→s→s有k＞j。將馬爾科夫鏈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣表示為P∈R(L+2)×(L+2)，其

ikji行j列元素P表示從狀態(tài)s轉(zhuǎn)移到狀態(tài)s的概率。類似地，定義為第一時(shí)隙的轉(zhuǎn)移概率；針對(duì)k≤

i,jijj和k＞ j這兩種情況，定義和為第二時(shí)隙的轉(zhuǎn)移概率。對(duì)應(yīng)于兩步狀態(tài)轉(zhuǎn)移，P可表示為i,j

（1）電池保持空狀態(tài)（s0→ sk→ s0）

在這種類型下，對(duì)s0→s0→s0發(fā)生中斷事件；對(duì)s0→sk→s0發(fā)生非中斷事件且有1≤k≤L+1。因此，對(duì)應(yīng)于中斷和非中斷事件的轉(zhuǎn)移概率分別為，其中

依據(jù)上述表示，這種類型的轉(zhuǎn)移概率可表示為P0,0=+。

（2）空電池部分充電(s0→ sk→ sj：0＜ j＜ L+1)

對(duì)此種類型，中斷事件對(duì)應(yīng)于0≤k≤j；非中斷事件對(duì)應(yīng)于j+1≤k≤L+1。相應(yīng)的轉(zhuǎn)移概率可分別表示為由式(15)給出，且有

依據(jù)上述表示，此種類型的轉(zhuǎn)移概率可表示為P0,j=+。

（3）空電池完全充滿(s0→sk→sL+1)

對(duì)這種類型，空電池在分組結(jié)束時(shí)完全充滿。對(duì)應(yīng)于中斷事件的轉(zhuǎn)移概率為

（4）電池保持滿狀態(tài)(sL+1→sL+1→sL+1)

對(duì)此種類型，電池在第一時(shí)隙開(kāi)始時(shí)就處于滿狀態(tài)，從而不能在第一時(shí)隙進(jìn)行能量收集。在第二時(shí)隙分為兩種情況：(a)需求的發(fā)射能量高于電池能量且滿足γr≥γth;(b)γr＜γth。在這種類型中=，其中=1，而對(duì)可通過(guò)將k=L+1和φ=p代入L+1b式(21)獲得。因此，有

（5）非空非滿的保持不變(si→ sk→ si：0＜ i＜ L+1)

（6）非空非滿電池完全充滿(si→ sk→ sL+1：0＜ i＜ L+1)

在這種類型下，由于電池沒(méi)有放電，有～P=0。該類型的轉(zhuǎn)移概率為

i,L+1

（7）非空非滿電池部分充電(si→ sk→ sj：0＜ i＜ j＜ L+1)在這種類型下，對(duì)應(yīng)于中斷和非中斷事件的轉(zhuǎn)移概率分別為

（8）非空電池放電(si→ sk→ sj：0≤ j＜ i≤ L+1)

由文獻(xiàn)[10]的命題1可知，轉(zhuǎn)移矩陣P為不可約且行統(tǒng)計(jì)。據(jù)此，馬爾科夫鏈的穩(wěn)態(tài)分布可按式(30)計(jì)算[18]

式中：(L+2)×(L+2)維的矩陣B的i行j列元素為Bi,j=1;b=[1,1,…,1]T為(L+2)×1維的矢量。與每一傳輸分組內(nèi)的兩步狀態(tài)轉(zhuǎn)移相對(duì)應(yīng)，當(dāng)?shù)诙r(shí)隙沒(méi)發(fā)生電池放電行為時(shí)，中斷事件發(fā)生，這使得電池的能量狀態(tài)在第二時(shí)隙呈現(xiàn)非減的現(xiàn)象，即對(duì)si→ sk→ sj有k≤j，且對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移概率為Pˉi,j。據(jù)此，基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式的中斷概率可表示為

對(duì)服務(wù)質(zhì)量（Quality of service,QoS）有約束的系統(tǒng)，其成傳速率定義為滿足中斷概率門(mén)限時(shí)的平均吞吐量[19]，即

式中：R為延遲受限系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的固定傳輸速率，ε為系統(tǒng)要求的中斷概率門(mén)限[20-21]。式(32)表明，中斷概率對(duì)成傳速率有著決定性的影響：只有當(dāng)中斷概率小于或等于系統(tǒng)要求的中斷概率門(mén)限時(shí)，才可能取得非零的成傳概率；當(dāng)中斷概率大于系統(tǒng)要求的中斷概率門(mén)限時(shí)，對(duì)應(yīng)的成傳概率為零。

通過(guò)對(duì)比基于分組內(nèi)時(shí)間切換和跨分組時(shí)間切換的HTS模式，可看出基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式在α=0時(shí)簡(jiǎn)化為跨分組時(shí)間切換的HTS模式。因此，上述分析框架可直接應(yīng)用于現(xiàn)有的跨分組時(shí)間切換的HTS模式，相應(yīng)的中斷概率可通過(guò)將α=0代入式(31)計(jì)算得到。

3 仿真結(jié)果

本節(jié)對(duì)所提HTS模式的系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在仿真中，信道的平均增益設(shè)置為E{g1}=E{g2}=10-4，Nagasaki-m衰落的形狀系數(shù)為m1=3和m2=2。電池容量設(shè)置為pb=ρps，其中ρ=mθ。電池能量狀態(tài)的實(shí)際數(shù)目設(shè)置為+2，其中=min{L ,dp/φt-1},φ=-27dBm為能11bminmin量收集單元的接收靈敏度[16]。噪聲功率為==-90dBm，能量轉(zhuǎn)換系數(shù)和利用系數(shù)分別為ηh=0.4和ηt=0.7?？紤]實(shí)際的信道衰落和鏈路預(yù)算，延遲受限系統(tǒng)的固定傳輸速率設(shè)置為R=3 b/s/Hz[20-21]。為方便對(duì)比，本節(jié)將文獻(xiàn)[10]的常規(guī)HTS模式的仿真結(jié)果標(biāo)注為“C-HTS”。

圖2給出了中斷概率隨α變化的曲線。在圖2的仿真中，設(shè)置ps=30dBm。從圖2可以看出，跨分組時(shí)間切換的HTS模式取得了最高的中斷概率。當(dāng)采用C-HTS模式(α=0)和L=50時(shí)，對(duì)應(yīng)的中斷概率為0.05，這遠(yuǎn)高于現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)要求的0.01[19]。當(dāng)α從0增加到0.99時(shí)，由非零的α所取得的中斷概率顯著降低。即使是分配一小部分分組時(shí)段用于分組內(nèi)時(shí)間切換，如α=0.15，所取得的中斷概率可以降低到10-6以下。當(dāng)L從30增加到50時(shí)，對(duì)應(yīng)的中斷概率降低。此外，圖2的結(jié)果驗(yàn)證了本文所提分析方法的正確性。

圖3給出了成傳速率隨α變化的結(jié)果。在圖3的仿真中，設(shè)置ps=30dBm和ε=0.01。從圖3可以看出，C-HTS模式(α=0)在L=30和50時(shí)只取得了為零的成傳速率。造成這一現(xiàn)象的原因是C-HTS模式在L=30和50時(shí)，系統(tǒng)取得的中斷概率大于ε（見(jiàn)圖2）。作為對(duì)比，基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式在很大的α范圍內(nèi)都取得了非零的成傳速率。當(dāng)α增加時(shí)，基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式所取得的成傳速率降低。此外，L=50的配置取得了比L=30的配置更寬的非零成傳速率的α范圍。由于成傳速率相比平均吞吐量具有更重要的實(shí)際意義[19]，圖3的結(jié)果表明基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式取得了遠(yuǎn)優(yōu)于C-HTS模式的系統(tǒng)性能。圖3的結(jié)果還表明，當(dāng)α的數(shù)值小于某一門(mén)限值時(shí)，系統(tǒng)取得的成傳速率為零。造成這一現(xiàn)象的原因在于過(guò)小的α導(dǎo)致收集的能量太少，不能保證接收譯碼所需的中繼發(fā)射功率。

圖4給出了中斷概率隨信源發(fā)射功率變化的曲線。由于式(31)表示的中斷概率呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)分布元素和轉(zhuǎn)移矩陣元素雙重累加的形式，閉合形式的最優(yōu)化α難以獲得。受圖2和圖3結(jié)果的啟發(fā)，為取得較小的中斷概率，α不應(yīng)太小；為保證取得大的成傳速率，α的數(shù)值也不能太大。因此，在圖4的仿真中，為基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS設(shè)置α=0.1。對(duì)C-HTS模式(α=0)，當(dāng)L=30，50和200時(shí)，其取得的中斷概率在ps超過(guò)一個(gè)較大值時(shí)均出現(xiàn)了中斷概率地板效應(yīng)。同時(shí)，即使對(duì)L=200的情況，C-HTS模式取得的中斷概率也高于0.01。圖4的結(jié)果表明：基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式可以大幅度降低中斷概率。例如，當(dāng)L=38，其取得的中斷概率在中高ps范圍內(nèi)均低于10-4。當(dāng)L增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的中斷概率可進(jìn)一步降低。

圖2 中斷概率隨α變化的關(guān)系Fig.2 Outage probability versus α

圖3 成傳速率隨α變化的關(guān)系Fig.3 Successful rate versus α

圖5 研究了成傳速率隨ps變化的趨勢(shì)。在圖5的仿真中，設(shè)置ε=0.015和L=50。圖5的結(jié)果表明：在整個(gè)ps范圍內(nèi)，C-HTS模式只取得了為零的成傳速率。因此，C-HTS模式的性能完全不能滿足具有QoS約束的系統(tǒng)要求。另一方面，基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式在較寬的ps范圍內(nèi)取得了非零的成傳速率。當(dāng)α增加時(shí)，其取得的成傳速率有所降低，但其非零成傳速率對(duì)應(yīng)的ps范圍變得更寬。此外，當(dāng)ps小于某一門(mén)限值時(shí)，系統(tǒng)所取得的成傳速率為零。造成這一現(xiàn)象的原因在于過(guò)小的ps導(dǎo)致過(guò)小的收集能量，不能保證接收譯碼所需的中繼發(fā)射功率。圖5的結(jié)果表明：基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式相比C-HTS模式具有更重要的實(shí)際價(jià)值。

圖4 中斷概率隨ps變化的關(guān)系Fig.4 Outage probability versus ps

圖5 成傳速率隨ps變化的關(guān)系Fig.5 Successful rate versus ps

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)泛在應(yīng)用的普及，SWIPT已成為萬(wàn)物互連重要的使能手段之一。本文針對(duì)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)提出了一種基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式，在每一傳輸分組中將部分時(shí)隙用于能量收集。針對(duì)電池動(dòng)態(tài)的充電-放電/充電-充電行為，本文將其建模為具有兩步狀態(tài)轉(zhuǎn)移的有限狀態(tài)的馬爾科夫鏈。基于這一全新的分析框架，現(xiàn)有的跨分組時(shí)間切換的HTS模式可被看作是基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式的一種特例。最后本文給出了基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式在Nakagami-m衰落信道下的中斷概率和成傳速率閉合式。仿真結(jié)果表明：本文所提基于分組內(nèi)時(shí)間切換的HTS模式相比跨分組時(shí)間切換的HTS模式可大幅度提高中斷性能和成傳速率。