一種適用于多中繼能量收集協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的鏈路選擇策略*

向善旭 雷洋洋 胡佳燁 陳秋緣

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 西安 710064）（2.哈爾濱理工大學(xué) 哈爾濱 150006）

1 引言

資源節(jié)約是這個(gè)時(shí)代科學(xué)技術(shù)的一條重要標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在信息傳輸與處理技術(shù)飛速發(fā)展的今天，且通信業(yè)務(wù)更是如此。射頻（RF）能量傳輸和收集技術(shù)已被認(rèn)公認(rèn)為下一代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)［1］的可持續(xù)自供電的解決方案，中繼節(jié)點(diǎn)從接收的射頻信號(hào)中提取能量并進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)，不僅提高系統(tǒng)的能量利用效率，也延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)本身的使用壽命。無(wú)線(xiàn)信息與能量協(xié)同傳輸（Simultaneous Wireless Informa?tion and Power Transfer，SWIPT）技術(shù)［2］引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。因此，具有能量采集能力的通信系統(tǒng)成為新的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前兩種能量采集有兩種方式，一種是功率分割（Power Splitting，PS）［3］，即具有能量采集能力的節(jié)點(diǎn)將接收到的功率分成兩部分，一部分用于存儲(chǔ)，一部分用于信息處理；另一種方式是時(shí)間切換方式（Time Switching，TS）［3］，即具有能量采集能力的節(jié)點(diǎn)在接受信號(hào)的時(shí)間段將時(shí)間分為兩部分，一部分用于能量存儲(chǔ)，一部分用于信息處理。文獻(xiàn)［4］中提出了一些實(shí)用的SWIPT接收機(jī)架構(gòu)，即時(shí)間切換（TS）和功率分割（PS）接收機(jī)架構(gòu)，這些架構(gòu)在無(wú)線(xiàn)通信中得到了廣泛的應(yīng)用。

此外，協(xié)作中繼技術(shù)還可以廣泛應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)［5～6］，空時(shí)網(wǎng)絡(luò)編碼網(wǎng)絡(luò)［7］等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中。考慮到放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）中繼策略，文獻(xiàn)［8］中的作者針對(duì)一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，一個(gè)射頻能量采集中繼和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)所組成的簡(jiǎn)單中繼網(wǎng)絡(luò)，研究了基于功率分割（PS）和時(shí)間切換（TS）的中繼協(xié)議的中斷性能?？紤]到類(lèi)似的單中繼網(wǎng)絡(luò)，但采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）中繼策略，在文獻(xiàn)［9］中分析了基于功率分割（PS）和時(shí)間切換（TS）的中繼協(xié)議在有直達(dá)鏈路和沒(méi)有直達(dá)鏈路情況下的最大傳輸速率。與文獻(xiàn)［10～11］中多中繼多用戶(hù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中所采用的獨(dú)立同分布衰落信道假設(shè)的研究不同，現(xiàn)有研究中考慮獨(dú)立但不一定同分布的衰落信道的研究較少，尤其是在SWIPT的協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中。

不難預(yù)見(jiàn)，能量采集技術(shù)一定會(huì)在5G 通信系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等下一代無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。在多中繼系統(tǒng)和多目的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)選擇，系統(tǒng)信道狀態(tài)交互階段，往往需要耗費(fèi)大量的中斷能量和鏈路傳輸開(kāi)銷(xiāo)，現(xiàn)有公開(kāi)報(bào)道的文獻(xiàn)中，對(duì)于中繼鏈路和直達(dá)鏈路信息的合并選擇處理技術(shù)還鮮有研究，本文主要研究多中繼多節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)信息與能量協(xié)同傳輸（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT）系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于門(mén)限選擇算法的鏈路選擇技術(shù)，兼顧傳輸性能與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，并探索不同的系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)SWIPT系統(tǒng)性能的影響。

2 系統(tǒng)模型和選擇方案說(shuō)明

2.1 系統(tǒng)模型

本文研究的無(wú)線(xiàn)信息和能量協(xié)同傳輸模型如圖1 所示，在該模型中，考慮雙跳協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)下行傳輸場(chǎng)景，假設(shè)存在1 個(gè)基站，K個(gè)射頻能量采集中繼R={Rk|k=1,2…,K} ，M個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D={Dm|m=1,2…,M}。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均為單天線(xiàn)終端，按照半雙工的模式，在同一頻段下按照不同的時(shí)隙接入進(jìn)行通信，假設(shè)所有鏈路都服從獨(dú)立不同分布瑞麗塊衰落，如此，任意兩點(diǎn)之間的信道增益|hXY|2服從指數(shù)分布，即滿(mǎn)足：

圖1 基于兩跳多中繼多用戶(hù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)信息和能量協(xié)同傳輸模型

λXY表示的是速率參數(shù)，滿(mǎn)足，其中dXY表 示 任 意 兩 點(diǎn) 的 距 離，其 中X{S}∪R，YR∪D，而α表示大尺度衰落的路徑損耗指數(shù)。其中，信道的平均增益可以表示成［12］：

其中，d0表示的是參考距離，L表示的是在d0位置的平均信號(hào)功率衰減。

2.2 中繼節(jié)點(diǎn)的選擇過(guò)程

對(duì)于中繼節(jié)點(diǎn)而言，假設(shè)不同的節(jié)點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換效率是一致的，即為η，同時(shí)，基站負(fù)責(zé)對(duì)SWIPT系統(tǒng)中的功率分配因子ρ的調(diào)節(jié)，令基站的發(fā)送平均信噪比為，那么從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路選擇可以表示成：

當(dāng)采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議時(shí)，根據(jù)DF 協(xié)議的規(guī)則，中繼節(jié)點(diǎn)的鏈路選擇可以表示成：

當(dāng)采用放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議時(shí)，根據(jù)AF 協(xié)議的規(guī)則，中繼節(jié)點(diǎn)的鏈路選擇可以表示成：

其中，κk表示源節(jié)點(diǎn)和中繼k之間的的歐氏距離［12］。

2.3 通信過(guò)程

具體通信過(guò)程如下：

第一步：在通信之前，在中繼先發(fā)訓(xùn)練序列到目的節(jié)點(diǎn)D，根據(jù)不同鏈路的信道狀態(tài)，選擇最佳的中繼目的通信節(jié)點(diǎn)對(duì)。

第二步：在第一步的選擇的基礎(chǔ)上，整個(gè)通信過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段，基站節(jié)點(diǎn)S將信息廣播發(fā)送給選定的目的節(jié)點(diǎn)D，目的節(jié)點(diǎn)D在接收到基站節(jié)點(diǎn)S的信息過(guò)程中，不采用SWIPT 技術(shù)；于此同時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)R同樣會(huì)獲得相同的數(shù)據(jù)包，此時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)R利用SWIPT 技術(shù)進(jìn)行能量采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

第二階段，中繼節(jié)點(diǎn)R利用在第一階段所采集到的能量，來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)信息給目的節(jié)點(diǎn)D，轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中的處理協(xié)議為DF和AF，目的節(jié)點(diǎn)D利用選擇合并技術(shù)，將直接鏈路的信號(hào)和中繼轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)進(jìn)行融合處理。

3 本文所設(shè)計(jì)的鏈路選擇方案

3.1 數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

本文所設(shè)計(jì)的基于門(mén)限選擇算法的SWIPT 傳輸幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于門(mén)限選擇的SWIPT傳輸幀結(jié)構(gòu)

假設(shè)兩個(gè)階段的時(shí)隙相同，均為T(mén)，在第一階段，基站S廣播信息s，選中的中繼節(jié)點(diǎn)Rb和目的節(jié)點(diǎn)Db均可以收到，滿(mǎn)足=1，其中E[ ]表示取均值，此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)可以表示成：

此時(shí)S→Db信道的接收信噪比可以表示成：

在SWIPT技術(shù)的支撐下，基站的功率劃分出兩塊，一塊ρ用于實(shí)現(xiàn)能量采集，一塊(1 -ρ)用于作為接收功率，實(shí)現(xiàn)信息的解碼處理［13］。在選中的中繼上，其獲得的能量可以表示成［14］：

其中，0<η<1 表示能量轉(zhuǎn)換效率。中繼節(jié)點(diǎn)所接收到的信息可以表示成：

此時(shí)，S→Rb信道的接收信噪比可以表示成：

在第二階段中，選中的中繼節(jié)點(diǎn)利用采集獲得的能量，來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)的信息［15］，此時(shí)其發(fā)送功率可以表示成：

中繼轉(zhuǎn)發(fā)采用的協(xié)議，可以考慮采用AF 協(xié)議和DF 協(xié)議，在采用DF 協(xié)議下，假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)能夠成功地解碼源節(jié)點(diǎn)的信息，那么在目的節(jié)點(diǎn)處獲得的接收信號(hào)可以表示成：

其中，s表示中繼成功解碼后重新編碼的信號(hào)，此時(shí)獲得的瞬時(shí)信噪比可以表示成：

在雙跳DF傳輸過(guò)程中，任意一跳的失敗，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)傳輸?shù)氖?，其端到端的信噪比可以表示成?/p>

在中繼節(jié)點(diǎn)選擇AF 協(xié)議時(shí)，選擇的最佳中繼對(duì)信號(hào)繼續(xù)放大轉(zhuǎn)發(fā)，在目的節(jié)點(diǎn)Db處獲得的信號(hào)可以表示成：

由此，端到端的信噪比可以表示成：

其中G 為采用AF 中繼協(xié)議時(shí)的噪聲放大系數(shù)［12］。

3.2 算法描述

在目的節(jié)點(diǎn)接收合并的過(guò)程中，需要對(duì)S→Db和S→Rb→Db路徑進(jìn)行選擇，這里為了獲得切換復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)性能的折中，本文設(shè)計(jì)了基于門(mén)限信噪比的選擇算法，對(duì)應(yīng)得到的系統(tǒng)信噪比可以表示成：

其中Γ( ) 表示基于門(mén)限的選擇過(guò)程，當(dāng)S→Db鏈路的瞬時(shí)信噪比γSDb大于門(mén)限值時(shí)，系統(tǒng)直接選擇S→Db鏈路，而當(dāng)該條件無(wú)法滿(mǎn)足，且S→Rb→Db路徑的瞬時(shí)信噪比大于門(mén)限值時(shí)，則系統(tǒng)直接選擇S→Rb→Db鏈路，若兩個(gè)條件都無(wú)法滿(mǎn)足，則選擇兩個(gè)鏈路中較大的一個(gè)，其具體實(shí)現(xiàn)如下：

然后在本文所設(shè)計(jì)的基于門(mén)限選擇的SWIPT系統(tǒng)下，結(jié)合不同的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略探索不同參數(shù)配置下的系統(tǒng)性能之間的差異，并且將本文多中繼多用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)通信場(chǎng)景與單中繼通信場(chǎng)景進(jìn)行性能比較分析。能得到一些關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于SWIPT 系統(tǒng)性能的影響。并且最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估針對(duì)多中繼多用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)模型所提出的基于門(mén)限選擇算法，結(jié)果說(shuō)明了該算法的有效性。

4 仿真分析

本文通過(guò)編寫(xiě)Matlab代碼的方式，結(jié)合不同的中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，對(duì)研究的SWIPT系統(tǒng)的傳輸中斷概率和傳輸容量進(jìn)行仿真分析，揭示設(shè)計(jì)的不同的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型性能產(chǎn)生的影響。仿真中主要基于計(jì)算機(jī)建模進(jìn)行研究，仿真軟件采用的是Matlab 2020a，操作系統(tǒng)版本為微軟Win10 64 位專(zhuān)業(yè)版。

中斷概率，是評(píng)價(jià)系統(tǒng)通聯(lián)狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。圖3 給出了不同天線(xiàn)配置下的SWIPT AF 系統(tǒng)傳輸中斷概率仿真分析，其中橫坐標(biāo)表示的是傳輸衰落信道的信噪比變化范圍為0∶2∶30，單位為dB，縱坐標(biāo)表示系統(tǒng)的中斷概率，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目配置為2、3、4，目的節(jié)點(diǎn)配置為2 和4，中斷速率設(shè)置為1bit/s，中繼路徑和直傳路徑的選擇門(mén)限值設(shè)置為10dB，路徑損耗分量設(shè)置為2.7，攜能轉(zhuǎn)換效率為0.7，功率分割因子為0.5，統(tǒng)計(jì)平均次數(shù)設(shè)置為100次。觀(guān)察仿真圖可以發(fā)現(xiàn)，在采用放大轉(zhuǎn)發(fā)的SWIPT 系統(tǒng)中，隨著信噪比的提高，系統(tǒng)的中斷概率不斷降低，表明提高信道的傳輸質(zhì)量，可以有效地改善系統(tǒng)的傳輸中斷性能，在固定中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目時(shí)，改變目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，在高信噪比部分可以一定程度地提升系統(tǒng)的傳輸性能，而在固定目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，改變中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目，系統(tǒng)可以獲得整體的提升，如目的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為4，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目從2 變到4 時(shí)，當(dāng)BER=0.001 時(shí)，系統(tǒng)所需的信噪比降低了4dB。特別地，相比于單AF中繼通信場(chǎng)景，不同天線(xiàn)配置下的SWIPT-AF系統(tǒng)性能均獲得了大幅度的提升。

圖3 不同天線(xiàn)配置下的SWIPT AF系統(tǒng)傳輸中斷概率仿真分析

圖4 給出了不同天線(xiàn)配置下的SWIPT DF 系統(tǒng)傳輸中斷概率仿真分析，其中橫坐標(biāo)表示的是傳輸衰落信道的信噪比變化范圍0∶2∶30，單位為dB，縱坐標(biāo)表示的是系統(tǒng)的中斷概率，在相似的參數(shù)配置下，我們得到了與SWIPT AF 系統(tǒng)傳輸中斷概率相似的結(jié)論，但進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，同等參數(shù)配置下，SWIPT DF系統(tǒng)傳輸中斷概率，比SWIPT AF系統(tǒng)傳輸中斷概率更小，其主要原因在于DF 轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)能夠避免放大噪聲的情況，進(jìn)而獲得了性能的提升。

圖4 不同天線(xiàn)配置下的SWIPT DF系統(tǒng)傳輸容量仿真分析

傳輸容量是評(píng)估系統(tǒng)傳輸能力的一個(gè)重要指標(biāo)。圖5 給出了不同天線(xiàn)配置下的SWIPT AF 系統(tǒng)傳輸容量仿真分析，其中橫坐標(biāo)表示的是傳輸衰落信道的信噪比變化范圍0∶2∶30，單位為dB，縱坐標(biāo)表示的是系統(tǒng)的傳輸容量，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目配置為2、3、4，目的節(jié)點(diǎn)配置為2 和4，中繼路徑和直傳路徑的選擇門(mén)限值設(shè)置為10dB，路徑損耗分量設(shè)置為2.7，攜能轉(zhuǎn)換效率為0.7，功率分割因子為0.5，統(tǒng)計(jì)平均次數(shù)設(shè)置為10000 次。觀(guān)察仿真圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著信噪比的提高，系統(tǒng)的傳輸容量不斷增大，相比于單節(jié)點(diǎn)中繼通信場(chǎng)景而言，配置天線(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增大，帶來(lái)系統(tǒng)性能的顯著提升，在多種配置的復(fù)雜構(gòu)建下，我們通過(guò)仿真，得到幾個(gè)有意思的結(jié)論，在相同的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目（數(shù)目為2）時(shí)，增加目的節(jié)點(diǎn)數(shù)目（數(shù)目從2 增加到4），可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的容量存在先減小后增大的情況，且在高信噪比區(qū)域，目的節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，性能越好；在相同的目的節(jié)點(diǎn)數(shù)目（數(shù)目為2）時(shí)，增加中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目（數(shù)目從2增加到4），可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸容量同樣存在先增大后減小的情況，且在低信噪比區(qū)域，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，性能越好，而隨著信噪比的增加，最后傳輸容量趨于一致。

圖5 不同天線(xiàn)配置下的SWIPT AF系統(tǒng)傳輸容量仿真分析

圖6 給出了不同天線(xiàn)配置下的SWIPT DF 系統(tǒng)傳輸容量仿真分析，其中橫坐標(biāo)表示的是傳輸衰落信道的信噪比變化范圍0∶2∶30，單位為dB，縱坐標(biāo)表示的是系統(tǒng)的傳輸容量，在相似的參數(shù)配置下，我們得到了與SWIPT AF系統(tǒng)傳輸傳輸容量相似的結(jié)論，但進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，同等參數(shù)配置下，SWIPT DF系統(tǒng)傳輸容量，比SWIPT AF系統(tǒng)傳輸傳輸容量更大，這一點(diǎn)結(jié)論，將在后續(xù)的仿真中得到驗(yàn)證。

圖6 不同天線(xiàn)配置下的SWIPT DF系統(tǒng)傳輸中斷概率仿真分析

對(duì)于SWIPT系統(tǒng)而言，功率分配因子是非常關(guān)鍵的系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)參數(shù)之一。圖7和圖8分別給出了不同功率分配因子下的SWIPT 系統(tǒng)傳輸中斷概率和容量性能仿真比較。在仿真的過(guò)程中，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目設(shè)置為3，目的節(jié)點(diǎn)數(shù)目設(shè)置為3。中斷速率設(shè)置為1，路徑損耗分量為2.7，攜能轉(zhuǎn)換效率為0.7，路徑損耗為10，中繼路徑和直傳路徑的選擇門(mén)限值為10dB。在不同功率分配因子下的SWIPT 系統(tǒng)中斷概率性能仿真比較中，橫坐標(biāo)表示功率分配因子，范圍在0.1∶0.05∶0.9，縱坐標(biāo)表示的是中斷概率，觀(guān)察仿真圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著功率分配因子的增大，SWIPT AF系統(tǒng)和SWIPT DF系統(tǒng)的中斷性能都先減小后增大，存在的全局的最小值，我們注意到，解碼轉(zhuǎn)發(fā)的SWIPT 系統(tǒng)性能優(yōu)于放大轉(zhuǎn)發(fā)的SWIPT系統(tǒng)性能，且獲得兩個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)值的功率分配因子不同，SWIPT AF 系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配因子在0.35，而SWIPT DF 系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配因子在0.45。

圖7 不同功率分配因子下的SWIPT系統(tǒng)中斷概率性能仿真比較

圖8 不同功率分配因子下的SWIPT系統(tǒng)傳輸容量性能仿真比較

在不同功率分配因子下的SWIPT 系統(tǒng)傳輸容量性能仿真比較中，橫坐標(biāo)表示功率分配因子，范圍在0.1∶0.05∶0.9，縱坐標(biāo)表示的是傳輸容量，觀(guān)察仿真圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著功率分配因子的增大，SWIPT AF 系統(tǒng)和SWIPT DF 系統(tǒng)的中斷性能都先增大后減小，存在的全局的最大值。我們注意到，解碼轉(zhuǎn)發(fā)的SWIPT 系統(tǒng)性能同樣優(yōu)于放大轉(zhuǎn)發(fā)的SWIPT系統(tǒng)性能，且獲得兩個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)值的功率分配因子相同，SWIPT AF系統(tǒng)和SWIPT DF系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配因子均在0.3。因此，實(shí)際應(yīng)用中，將最佳功率分配因子設(shè)置在0.3，能夠較好地兼顧系統(tǒng)中斷概率和傳輸容量。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于門(mén)限選擇的SWIPT 中繼傳輸系統(tǒng)，借助Matlab 軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型，利用傳輸容量和中斷概率作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，仿真分析了不同參數(shù)配置下的系統(tǒng)性能比較，解釋了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)SWIPT系統(tǒng)性能的影響。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，相比于單中繼通信場(chǎng)景，不同天線(xiàn)配置下的SWIPT系統(tǒng)性能均獲得了大幅度的提升，目的節(jié)點(diǎn)數(shù)目或者中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，有助于提升系統(tǒng)傳輸性能，解碼轉(zhuǎn)發(fā)的SWIPT 系統(tǒng)性能優(yōu)于放大轉(zhuǎn)發(fā)的SWIPT系統(tǒng)性能，實(shí)際應(yīng)用中，將最佳功率分配因子設(shè)置在0.3，能夠較好地兼顧系統(tǒng)中斷概率和傳輸容量。本課題的研究成果，為促進(jìn)SWIPT技術(shù)的深入理解和推動(dòng)SWIPT技術(shù)的具體應(yīng)用，提供了重要的參考。