基于5G的綠色寬帶通信系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)*

陶妍

(上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900)

1 引言

隨著智能設(shè)備的不斷普及與發(fā)展，全球無線數(shù)據(jù)流量將繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)勢(shì)頭[1].一些新興領(lǐng)域的應(yīng)用，例如分辨率視頻流、觸覺式互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、道路安全和實(shí)時(shí)控制等應(yīng)用都將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)流量.然而，目前4G無線通信系統(tǒng)不具備處理爆炸性增長(zhǎng)數(shù)據(jù)的能力.為了提高系統(tǒng)性能，研究了一些提高容量的技術(shù)，如正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)、大規(guī)模多輸入多輸出(multiple input multiple output，MIMO)和協(xié)作通信和毫米波通信等[2].然而，隨著人們對(duì)高數(shù)據(jù)速率和普適服務(wù)需求的不斷增長(zhǎng)，使得發(fā)送器和接收器都消耗了大量的能源，而綠色通信可以節(jié)約通信能量，對(duì)實(shí)現(xiàn)5G連續(xù)通信起著至關(guān)重要的作用.特別是在高密度蜂窩通信系統(tǒng)中，綠色通信在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期和自我維持的運(yùn)行方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)[3-4].

近年來，無線功率傳輸(wireless power transfer，WPT)作為一種最有希望延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命的技術(shù)而受到廣泛關(guān)注.能量回收是WPT的關(guān)鍵，其通過一個(gè)整流電路將交流(alternating current，AD)功率轉(zhuǎn)換為直流(direct current，DC)功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍信號(hào)源射頻的(radio frequency，RF)能量再利用.此外，傳統(tǒng)的WPT通常獨(dú)立于無線信息傳輸(wireless information transfer，WIT)執(zhí)行，同時(shí)，WPT和WIT有時(shí)相互矛盾，即WPT通常關(guān)注最大化能量效率，而WIT關(guān)注最大化傳輸吞吐量.考慮到傳輸信號(hào)同時(shí)可攜帶數(shù)據(jù)信息和射頻能量，因此WIT和WPT可以組合構(gòu)成無線攜能通信(simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT)，從而提高吞吐量和能效[5-6].為此，許多學(xué)者對(duì)SWIPT技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了豐碩成果.文獻(xiàn)[7]從中繼選擇、轉(zhuǎn)發(fā)方式和收發(fā)機(jī)增益等不同角度對(duì)中繼網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行分析，研究了5G協(xié)作通信系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)模型.文獻(xiàn)[8]基于SWIPT技術(shù)設(shè)計(jì)了源端到目的端，源端到中繼再到目的的兩條路徑的5G通信模型.文獻(xiàn)[9]基于SWIPT和非正交多址接入技術(shù)，構(gòu)建了全雙工物聯(lián)網(wǎng)中繼系統(tǒng)模型，從而提高5G通信系統(tǒng)性能.然而，傳統(tǒng)SWIPT執(zhí)行方法為時(shí)間切換和功率分割，其中時(shí)間切換會(huì)導(dǎo)致通信時(shí)延，而功率分裂會(huì)導(dǎo)致低信噪比.因此，基于SWIPT的5G通信效率、能耗和抗干擾等方面仍有提升空間.

為解決傳統(tǒng)模型帶來的時(shí)延和低信噪比問題，本文提出了一種改進(jìn)的基于SWIPT的5G通信系統(tǒng).在SWIPT模型中，一些子帶被選為WIT，而其他子帶被選為WPT，采用子帶和子帶功率聯(lián)合優(yōu)化單元.進(jìn)一步，將數(shù)據(jù)傳輸和能量采集聯(lián)合優(yōu)化過程描述為一個(gè)聯(lián)合優(yōu)化問題，并基于拉格朗日乘子法求解.

2 系統(tǒng)模型

2.1 SWIPT發(fā)射機(jī)

圖1所示為SWIPT的發(fā)射機(jī)模型.N個(gè)子帶被分成兩個(gè)子帶集，一個(gè)用于WIT，另一個(gè)用于WPT.

圖1 SWIPT發(fā)射機(jī)模型

令系統(tǒng)頻帶頻率為ω，則WIT與WPT兩個(gè)集合的向量描述為

(1)

(2)

式中,D=2r表示長(zhǎng)度為m的序列;mN為隨機(jī)變量，且mN∈[0,D-1].用于數(shù)據(jù)傳輸和功率傳輸計(jì)算公式分別為

(3)

然后通過快速傅立葉逆變換(inverse fast Fourier transform，IFFT)得到數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)域FMW.計(jì)算公式為

(4)

1)二進(jìn)制調(diào)制：此調(diào)制模式下，比特流S由一位0和1組成，調(diào)制信號(hào)公式為

(5)

2)循環(huán)碼移鍵控(Cyclic Code Shift Keying，CCSK)調(diào)制[10]：此調(diào)制模式下，比特流S為n維流，高階調(diào)制信號(hào)公式為

(6)

2.2 SWIPT接收機(jī)

(7)

式中,T為符號(hào)周期，b*(t)為b(t)的共軛矩陣.

直流電儲(chǔ)存在可充電電池中，圖2所示為信息處理所消耗的能量.為了保證正確的數(shù)據(jù)檢測(cè)，接收器必須生成與發(fā)射機(jī)相同的FMW.因此，子帶發(fā)射機(jī)的分配必須在接收機(jī)中獲得.這個(gè)發(fā)送器可以使用公共信道或?qū)ьl信號(hào).在導(dǎo)頻估計(jì)中，只有FMW中b(t)被發(fā)送到接收器.接收器得到頻率接收信號(hào)的域并比較子帶頻譜有閾值的振幅.如果頻譜振幅較大閾值之后，本地光譜標(biāo)記將設(shè)置為1，否則0.

圖2 SWIPT接收機(jī)

2.3 系統(tǒng)性能

如果接收機(jī)得到相同的頻譜標(biāo)記向量A(ω)，可以生成理想的局部FMW.考慮在高斯白噪聲(white Gaussian noise，WGN)信道，采用二進(jìn)制調(diào)制時(shí)系統(tǒng)誤碼率為

(8)

式中,Eb是符號(hào)功率，N0是功率譜密度.函數(shù)Q(x)計(jì)算公式為

(9)

在CCSK調(diào)制下[10]，系統(tǒng)誤碼率為

(10)

然而，在接收機(jī)中估計(jì)的頻譜標(biāo)記向量有時(shí)和發(fā)射器里的不同.定義發(fā)送器與接收器之間在A(ω)中不同數(shù)量為ε，因此頻譜標(biāo)記不一致情況下的誤碼率為

(11)

同理，在頻譜標(biāo)記不一致情況下的誤碼性能(Bit error performance，BER)計(jì)算公式為

(12)

接下來考慮由WPT帶來的功耗和干擾，BER計(jì)算公式為

(13)

式中ζ為功率分配系數(shù)，表示數(shù)據(jù)傳輸功率與總功率之比，且0<θ<1表示干擾因子.

3 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

系數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)部署聯(lián)合優(yōu)化單元以改進(jìn)系統(tǒng)受能源需求限制.優(yōu)化將過程描述為一個(gè)聯(lián)合優(yōu)化問題，因此可通過拉格朗日乘子法求解.

與傳輸有關(guān)的系統(tǒng)吞吐量子帶集A(ω)和子帶冪向量{pn}，由下式給出

(14)

(15)

式中,0<μ<1是能量收集效率.此外，系統(tǒng)中的能量可能會(huì)由于電子設(shè)備在回收電路中的能量輻射而泄漏，這可能會(huì)干擾數(shù)據(jù)的檢測(cè).因此，必須控制WPT帶來的干擾.進(jìn)一步，系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)可描述為：最大化系統(tǒng)吞吐量R，同時(shí)保證最小能量Emin和子帶功率受限.系統(tǒng)優(yōu)化問題最終簡(jiǎn)化為

(16)

式中,Imax表示系統(tǒng)中最大干擾，N(ω)表示聚合子帶的集合,n=1,2,…,N.

進(jìn)一步，將公式(16)利用拉格朗日方法計(jì)算，優(yōu)化公式如下

圖3 不同調(diào)制下誤碼率對(duì)比結(jié)果Fig.3 Comparison results of bit error rate under different modulation

(17)

式中ζ1、ζ2和ζ3為拉格朗日乘子.

4 仿真與分析

為簡(jiǎn)化模型，假設(shè)系統(tǒng)子帶數(shù)量為32，帶寬為1 kHz，能量收集效率為0.9，功率譜密度為1 mW/Hz，圖3所示為二進(jìn)制下不同類型誤碼率對(duì)比結(jié)果.可以看出，二進(jìn)制調(diào)制會(huì)產(chǎn)生最高的誤碼率.多維調(diào)制的誤碼率會(huì)隨著維度的增加而降低，表明高階調(diào)制可以改善系統(tǒng)的性能.

圖4 不同頻譜誤差下誤碼率對(duì)比結(jié)果Fig.4 Comparison results of bit error rate under different spectrum errors

圖4所示為不同頻譜標(biāo)記誤差下(ρ=[0,20%,40%,80%])，且Eb/N0=[1,10]時(shí)，誤碼率對(duì)比結(jié)果.可以看出，頻譜標(biāo)記發(fā)送器與接收器越接近，誤碼率越低.這符合實(shí)際情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法的有效性.

5 結(jié)語(yǔ)

為應(yīng)對(duì)5G通信中發(fā)送器和接收器消耗大量能源的問題，本文提出了一種改進(jìn)的5G綠色寬帶通信系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)與接收機(jī)具體運(yùn)行過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述.通過仿真分析，結(jié)果表明本文提出的方法能夠有效進(jìn)行5G通信傳輸，驗(yàn)證了利用高階調(diào)制可以改善系統(tǒng)的性能.該結(jié)構(gòu)為5G綠色寬帶通信系統(tǒng)的發(fā)展提供了一定借鑒和思路.