基于信能同傳的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)性能研究

李新穎,郝 浩,黃海燕

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,蘭州 730070)

0 概述

隨著無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng),無(wú)線通信面臨頻譜資源短缺和能耗增高的問題。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中,由于認(rèn)知用戶進(jìn)行頻譜感知需要消耗額外能量,從而影響認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)在能量受限場(chǎng)景下的應(yīng)用效果,因此有必要對(duì)該場(chǎng)景下認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行研究[1]。在能量受限場(chǎng)景中,利用射頻能量采集技術(shù)可將接收信號(hào)中的能量信號(hào)作為能量源,采集能量用于后續(xù)信號(hào)的發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā),進(jìn)而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間[2]。在網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)傳輸信息和能量信號(hào)稱為無(wú)線信能同傳(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)。文獻(xiàn)[3-4]針對(duì)放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward,AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward,DF)中繼網(wǎng)絡(luò),提出基于SWIPT的時(shí)間切換中繼(Time-Switching Relay,TSR)與功率分裂中繼(Power-Splitting Relay,PSR)兩種中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方式。PSR中繼節(jié)點(diǎn)需同時(shí)進(jìn)行能量采集和信號(hào)接收處理,其在硬件上較TSR更難實(shí)現(xiàn)。

在基于射頻能量采集的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中,認(rèn)知用戶可通過無(wú)線能量通信網(wǎng)絡(luò)采集能量[5-7],由專用能量基站發(fā)送能量信號(hào)供認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)采集使用,還可從其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)中采集能量,這種網(wǎng)絡(luò)稱為基于SWIPT的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(SWIPT-based Cognitive Radio Network,SWIPT-CRN)[8]。在對(duì)SWIPT-CRN的研究中,文獻(xiàn)[9]針對(duì)SWIPT認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)提出直連鏈路下基于功率控制和中斷概率約束的傳輸機(jī)制,以最小化認(rèn)知用戶對(duì)主用戶的干擾。文獻(xiàn)[10]基于協(xié)作SWIPT認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)提出直連鏈路下基于保證主用戶服務(wù)質(zhì)量的功率和時(shí)間分配方案,并使認(rèn)知用戶能量效率最大化。文獻(xiàn)[11]圍繞多天線SWIPT認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)提出直連鏈路下協(xié)作頻譜感知和無(wú)線功率傳輸機(jī)制,發(fā)現(xiàn)認(rèn)知用戶采用TSR方式采集能量可提高頻譜效率。文獻(xiàn)[12]針對(duì)基于AF的SWIPT認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)提出協(xié)作中繼機(jī)制,使認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量最大化。文獻(xiàn)[13]引入兩路AF協(xié)作SWIPT認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)并研究認(rèn)知用戶的中斷概率、遍歷容量和能量效率,發(fā)現(xiàn)這兩路中繼網(wǎng)絡(luò)有利于提高頻譜效率和能量效應(yīng)。文獻(xiàn)[14]在基于DF的SWIPT認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上提出最小化認(rèn)知用戶對(duì)主用戶干擾的傳輸機(jī)制,并取得認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中斷概率。文獻(xiàn)[15-16]針對(duì)NOMA場(chǎng)景下基于DF的SWIPT認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)提出基于功率分配的傳輸機(jī)制,研究了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的中斷概率和分集增益,發(fā)現(xiàn)該傳輸機(jī)制在不損失分集增益情況下會(huì)降低中斷概率。文獻(xiàn)[17]利用基于AF和DF的協(xié)作SWIPT認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)提出動(dòng)態(tài)協(xié)作頻譜共享傳輸協(xié)議,該傳輸協(xié)議有助于降低中斷概率并提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

以上關(guān)于認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的研究多采用PSR作為能量采集的中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方式,雖然易于分析但PSR方式從硬件上難以實(shí)現(xiàn)。此外,這些研究多集中于underlay模式下主用戶和認(rèn)知用戶同時(shí)同頻傳輸?shù)腟WIPT認(rèn)知網(wǎng)絡(luò),而對(duì)主用戶和認(rèn)知用戶交替占用頻譜傳輸?shù)腟WIPT認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)研究較少,同時(shí)大部分研究基于完美頻譜感知的假設(shè),未考慮頻譜感知錯(cuò)誤時(shí)主用戶傳輸對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的影響。

受上述文獻(xiàn)啟發(fā),本文提出非完美頻譜感知條件下基于TSR的SWIPT認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸方案,使認(rèn)知用戶和主用戶交替使用頻譜,當(dāng)主用戶占用頻譜傳輸時(shí)認(rèn)知用戶采集和存儲(chǔ)主用戶發(fā)射信號(hào)的能量,并在頻譜釋放后利用該能量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,推導(dǎo)出吞吐量與能量效率的表達(dá)式,同時(shí)針對(duì)頻譜感知可靠性以及節(jié)點(diǎn)功率對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)吞吐量與能量效率的影響進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)模型

1.1 模型建立

圖1為本文提出的傳輸系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu),其中:主用戶包括源節(jié)點(diǎn)PT和目的節(jié)點(diǎn)PR;認(rèn)知用戶為單源單中繼網(wǎng)絡(luò),包括用于發(fā)射信號(hào)的源節(jié)點(diǎn)S、用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)S信號(hào)且基于TSR的DF中繼節(jié)點(diǎn)R以及目的節(jié)點(diǎn)D。圖中實(shí)線表示信息和能量信號(hào)傳輸,虛線表示主用戶傳輸信息對(duì)認(rèn)知用戶的影響。所有節(jié)點(diǎn)都配備單根天線,并采取時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiplexing,TDM)的半雙工方式工作。假設(shè)信道環(huán)境如下:hi～CN(0,λi)表示各節(jié)點(diǎn)之間的瞬時(shí)信道衰落系數(shù),其中i={sr,rd,pr,pd};nj～CN(0,Nj)表示各節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)時(shí)疊加的背景噪聲,其中j={r,d}?？紤]因遠(yuǎn)距離造成的陰影衰落情況,在分析該系統(tǒng)時(shí)需忽略認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的直連鏈路,并假設(shè)所有鏈路之間為準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落且各鏈路相互獨(dú)立。

圖1 本文系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

1.2 傳輸方案

不失一般性,本文將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)傳輸過程分為能量采集與頻譜感知、數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段,如圖2所示。

圖2 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)傳輸過程

1)能量采集與頻譜感知階段

在時(shí)間為(0,αT)(α為時(shí)間切換參數(shù),T為時(shí)隙長(zhǎng)度)時(shí),節(jié)點(diǎn)PT占用頻譜以功率P傳輸信號(hào)到節(jié)點(diǎn)PR,節(jié)點(diǎn)S保持靜默和頻譜感知,中繼節(jié)點(diǎn)R以線性方式從信號(hào)中采集能量,并將其轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存,能量轉(zhuǎn)換效率為η。假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)R配置超級(jí)電容且在每個(gè)時(shí)隙末將能量清空,即采集的能量不會(huì)發(fā)生溢出,則中繼節(jié)點(diǎn)R在每個(gè)時(shí)隙所采集能量[18]的計(jì)算公式為:

(1)

在上述階段,認(rèn)知用戶通過節(jié)點(diǎn)S進(jìn)行頻譜感知。在時(shí)隙分配方案中,忽略頻譜感知產(chǎn)生的響應(yīng)延遲,即認(rèn)知用戶感知到頻譜空閑后立即進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段,并忽略信號(hào)處理占用的時(shí)間。然而在非完美頻譜感知可靠性下,認(rèn)知用戶頻譜感知可能會(huì)發(fā)生判斷錯(cuò)誤(此時(shí)主用戶仍占用頻譜傳輸),導(dǎo)致認(rèn)知用戶傳輸受到主用戶節(jié)點(diǎn)干擾。

將主用戶空閑概率表示為p0,認(rèn)知用戶虛警概率表示為pf,認(rèn)知用戶發(fā)現(xiàn)概率表示為pd,認(rèn)知用戶正確不發(fā)現(xiàn)(主用戶未傳輸,頻譜未被占用,認(rèn)知用戶檢測(cè)為頻譜空閑,此時(shí)認(rèn)知用戶傳輸不受影響)的概率表示為φ0,認(rèn)知用戶漏警(主用戶傳輸,頻譜被占用,認(rèn)知用戶仍檢測(cè)為頻譜空閑,此時(shí)認(rèn)知用戶傳輸受主用戶干擾)的概率表示為φ1,由貝葉斯公式得到如下表達(dá)式[19]:

(2)

同理得到:

(3)

2)數(shù)據(jù)傳輸階段

在時(shí)間為(T-αT,T)時(shí),認(rèn)知用戶中繼節(jié)點(diǎn)R將能量采集與頻譜感知階段儲(chǔ)存的能量用于數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)傳輸分為如下兩步:

(1)節(jié)點(diǎn)S以功率PS發(fā)送信號(hào)xs到中繼節(jié)點(diǎn)R,并將主用戶源節(jié)點(diǎn)PT發(fā)送的信號(hào)表示為xp。中繼節(jié)點(diǎn)R收到的信號(hào)表示如下:

(4)

其中,μ={0,1},μ=1表示頻譜感知階段出現(xiàn)漏警。此過程中R接收信號(hào)的信干噪比表示為:

(5)

(2)中繼節(jié)點(diǎn)R在后半段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)解碼后的信號(hào)給節(jié)點(diǎn)D,假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)R處理信號(hào)消耗的能量為Es,則中繼節(jié)點(diǎn)R用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的功率表示為:

(6)

節(jié)點(diǎn)D接收的信號(hào)表示為:

(7)

節(jié)點(diǎn)D接收信號(hào)的信干噪比表示為:

(8)

將式(6)代入式(8),令Δ=ηαTP且t=T-αT,得到:

(9)

2 系統(tǒng)分析

在認(rèn)知用戶中,如果a和b兩節(jié)點(diǎn)(ab={SR,RD})在某一階段發(fā)生中斷,鏈路的互信息量小于目標(biāo)傳輸速率,則該中斷事件表示為:

(10)

其中,Rth表示目標(biāo)傳輸速率。中斷事件還可表示為:

γab<γth

(11)

(12)

(13)

由于各節(jié)點(diǎn)之間信道為瑞利衰落,因此瞬時(shí)信道增益|hi|2服從均值為λ的指數(shù)分布,均值為λ的指數(shù)分布概率分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function,CDF)和概率密度函數(shù)(Probability Density Function,PDF)分別表示為:

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

式(18)中事件A表示若中繼節(jié)點(diǎn)采集的能量不能滿足信號(hào)處理和數(shù)據(jù)傳輸所需,則傳輸過程發(fā)生中斷,中斷概率為:

(19)

根據(jù)文獻(xiàn)[20]中式(3.324.1)計(jì)算得到:

(20)

其中,K1(x)為定義于文獻(xiàn)[20]中式(8.432)的第二類修正貝塞爾函數(shù),由式(18)～式(20)推導(dǎo)出:

(21)

類似式(18)整理得到:

(22)

(23)

Y1=Nd+P|hpd|2

(24)

Y2=|hrd|2

(25)

(26)

(27)

(28)

結(jié)合式(23)～式(28)并根據(jù)文獻(xiàn)[20]中式(3.382.4)計(jì)算得到:

(29)

其中,Γ(α,x)為定義于文獻(xiàn)[20]中式(8.35)的非完備伽馬函數(shù),由式(22)～式(29)推導(dǎo)得到:

(30)

(31)

在本文模型中,為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知用戶的數(shù)據(jù)傳輸,將認(rèn)知用戶所消耗的能量按來(lái)源分為兩類:1)認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)消耗的能量;2)認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)頻譜感知消耗的能量。認(rèn)知用戶的能量效率表示如下:

(32)

其中,Psense表示認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)頻譜檢測(cè)的功率。

3 仿真結(jié)果與分析

本文采用蒙特卡洛方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),主要從主用戶源節(jié)點(diǎn)和認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)功率、認(rèn)知用戶頻譜感知可靠性對(duì)認(rèn)知用戶吞吐量與能量效率的影響進(jìn)行分析,相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖3和圖4分別為本文使用時(shí)間切換中繼TSR進(jìn)行能量采集的系統(tǒng)(系統(tǒng)1)和未使用能量采集中繼的系統(tǒng)(系統(tǒng)2)中認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量效率在不同頻譜感知條件下隨主用戶源節(jié)點(diǎn)PT功率的變化曲線。頻譜感知條件設(shè)置為認(rèn)知用戶發(fā)現(xiàn)概率Pd={0.9,0.5,0.1}、認(rèn)知用戶虛警概率Pf=1-Pd,認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)S功率設(shè)置為5 W?？梢钥闯?當(dāng)主用戶源節(jié)點(diǎn)PT功率相同時(shí),隨著認(rèn)知用戶發(fā)現(xiàn)概率Pd(頻譜感知可靠性)下降和虛警概率Pf上升,系統(tǒng)1和系統(tǒng)2中認(rèn)知用戶吞吐量和能量效率均降低,這是因?yàn)殡S著認(rèn)知用戶頻譜感知可靠性下降,認(rèn)知用戶更可能將已占用的頻譜狀態(tài)檢測(cè)為未占用(即發(fā)生漏警),從而傳輸鏈路被主用戶網(wǎng)絡(luò)干擾的可能性增大,網(wǎng)絡(luò)傳輸性能下降,因此增加認(rèn)知用戶頻譜感知可靠性能提高認(rèn)知用戶傳輸性能。當(dāng)頻譜感知條件相同且主用戶源節(jié)點(diǎn)PT功率小于5 W時(shí),系統(tǒng)1中認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量效率低于系統(tǒng)2,但主用戶源節(jié)點(diǎn)PT功率增大到5 W后,系統(tǒng)1中認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量效率高于系統(tǒng)2,這是因?yàn)殡S著主用戶源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)功率的增大,中繼節(jié)點(diǎn)采集能量增多,其傳輸功率也升高,有利于增加端到端的信噪比,從而提高認(rèn)知用戶傳輸性能。

圖3 吞吐量隨主用戶源節(jié)點(diǎn)功率的變化曲線

圖4 能量效率隨主用戶源節(jié)點(diǎn)功率的變化曲線

圖5和圖6分別為系統(tǒng)1和系統(tǒng)2中認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量效率在不同頻譜感知條件下隨認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)S功率的變化曲線。頻譜感知條件設(shè)置與上文相同,主用戶源節(jié)點(diǎn)PT功率設(shè)置為5 W?？梢钥闯?當(dāng)認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)S功率相同時(shí),隨著認(rèn)知用戶發(fā)現(xiàn)概率Pd下降和虛警概率Pf上升,系統(tǒng)1和系統(tǒng)2中認(rèn)知用戶吞吐量和能量效率均降低,這是因?yàn)殡S著認(rèn)知用戶頻譜感知可靠性的下降,認(rèn)知用戶可能將已占用的頻譜狀態(tài)檢測(cè)為未占用(即發(fā)生漏警),從而傳輸鏈路被主用戶網(wǎng)絡(luò)干擾的可能性增大,網(wǎng)絡(luò)傳輸性能下降;當(dāng)頻譜感知條件相同且認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)S功率小于5 W時(shí),系統(tǒng)1吞吐量和能量效率高于系統(tǒng)2,這是因?yàn)橹边B鏈路端到端傳輸性能較差,在認(rèn)知用戶中增加中繼節(jié)點(diǎn)可提高傳輸性能;當(dāng)認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)S功率增大到5 W后,系統(tǒng)1中認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)吞吐量逐漸增大并趨于穩(wěn)定,能量效率呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì),且吞吐量和能量效率低于系統(tǒng)2,這是因?yàn)橄到y(tǒng)1中認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能還取決于信道增益、目標(biāo)傳輸速率等其他因素,僅增加認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)S傳輸功率對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的提升有限。

圖5 吞吐量隨認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)功率的變化曲線

圖6 能量效率隨認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)功率的變化曲線

由上述仿真分析可知:認(rèn)知用戶傳輸性能隨著頻譜感知可靠性的升高而提升;在認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)功率較小(處于低功耗場(chǎng)景)時(shí),認(rèn)知用戶源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間引入能量采集中繼節(jié)點(diǎn)可提升認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量與能量效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種面向認(rèn)知用戶的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙分配與傳輸方案。引入能量采集中繼節(jié)點(diǎn)使認(rèn)知用戶采集并存儲(chǔ)主用戶發(fā)射信號(hào)的能量,在頻譜釋放后利用該能量占用頻譜轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào),并就頻譜感知可靠性和節(jié)點(diǎn)傳輸功率對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)吞吐量與能量效率的影響進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明,低功耗場(chǎng)景下在認(rèn)知用戶中引入能量采集中繼節(jié)點(diǎn)并增加頻譜感知可靠性,可有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量與能量效率。下一步將對(duì)基于信能同傳的多中繼協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)安全傳輸方案進(jìn)行研究,提高系統(tǒng)頻譜利用率并改善系統(tǒng)傳輸性能。