多天線中繼系統(tǒng)中能量收集時隙傳輸策略研究* 1

晏凱強，劉慧東，任國春，陳　瑾，陳慧林

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

?

多天線中繼系統(tǒng)中能量收集時隙傳輸策略研究* 1

晏凱強，劉慧東，任國春，陳瑾，陳慧林

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

摘要：MIMO技術(shù)可在不增加系統(tǒng)帶寬和發(fā)射功率的前提下，成倍地提升無線通信系統(tǒng)吞吐量和服務(wù)質(zhì)量。旨在研究能量收集與MIMO兩種技術(shù)同時實現(xiàn)在協(xié)作通信系統(tǒng)中時，如何更大限度提高能量收集中繼通信系統(tǒng)的吞吐量。首先針對多天線中繼節(jié)點對信號的處理方式將工作模式分為時間切換模式和能量分割模式，其次分析了兩種模式的最優(yōu)策略，最后對兩種策略的系統(tǒng)吞吐量進行了比較。仿真結(jié)果顯示了在相同外部環(huán)境下，能量分割模式能獲得更大的系統(tǒng)吞吐量。

關(guān)鍵詞：能量收集；中繼通信；MIMO；時間切換；能量分割

0引言

能量收集協(xié)作通信系統(tǒng)，既可以在一定程度上提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，又能夠節(jié)省能源并延長系統(tǒng)工作時間，已成為近年來無線通信領(lǐng)域的研究熱點[1-2]。而MIMO系統(tǒng)通過在發(fā)射端和接收端配置多根天線，進一步結(jié)合空時編碼技術(shù)可以獲得空間復(fù)用和空間分集，大大提高傳輸速率和通信可靠性。空時編碼和相關(guān)的MIMO信號處理技術(shù)在無線通信領(lǐng)域獲得了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，許多無線通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)采用或者計劃采用多天線技術(shù)[3-4]。在能量收集通信系統(tǒng)中，MIMO技術(shù)也被應(yīng)用在很多場景中。文獻[5]研究了一個多天線接入點和一組單天線用戶組成的無線供電通信網(wǎng)路的吞吐量最優(yōu)化問題。在文獻[6]中，作者對能量收集協(xié)作中繼通信系統(tǒng)進行了研究，提出了初級用戶和次級用戶之間在信息和能量這兩個層次的合作策略，以實現(xiàn)更好地利用頻譜。文獻[7]針對從周邊環(huán)境收集能量供電的MIMO多接入信道開發(fā)了一種新的方法，以獲得最佳的調(diào)度策略。在文獻[8]中，作者研究了在放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)兩種中繼協(xié)議下的協(xié)作通信系統(tǒng)，并根據(jù)能量收集和信息傳輸在中繼處的協(xié)議提出了時間切換的概念。文獻[9]中，作者介紹了同時進行信息和能量傳輸?shù)膽?yīng)用場景，對單用戶和多用戶之間不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行了研究，并針對時間切換模式下的系統(tǒng)提出了對系統(tǒng)性能和算法復(fù)雜度之間折中問題的解決方案。文獻[10]中，作者考慮了一組單天線主用戶對和多天線次用戶對在能量分割模式下同時進行能量和信息合作的問題，并提出了一種基于時分的功率分配方案以實現(xiàn)吞吐量最優(yōu)化。

本文在多天線中繼節(jié)點與源節(jié)點協(xié)作通信的場景下，根據(jù)中繼節(jié)點處理信號的方式對系統(tǒng)的信道吞吐量進行了分析，并對所提出的兩種策略所能獲得的最大吞吐量進行了比較。

1系統(tǒng)模型

圖1給出了基于半雙工模式的系統(tǒng)模型。在該系統(tǒng)模型中包括配置單天線的發(fā)射機(即源節(jié)點)和接收機(即目的節(jié)點)，以及配置M根天線的中繼節(jié)點。源節(jié)點和目的節(jié)點之間無直連鏈路，因此需要中繼節(jié)點以支持信息傳輸。中繼節(jié)點為能量受限節(jié)點，在傳輸信息之前需要將接收到的信號用以收集能量。然后將收集到的能量作為傳輸功率將源節(jié)點的信息傳送至目的節(jié)點。在多天線中繼節(jié)點處存在兩個隊列：能量隊列、數(shù)據(jù)隊列。不失一般性，假設(shè)能量隊列和數(shù)據(jù)隊列緩存長度無限大，信道按時隙劃分且每個數(shù)據(jù)包傳輸占用一個時隙。假設(shè)所有信道均為獨立平穩(wěn)的瑞利衰落信道，且信道衰落系數(shù)如圖1中所示，其中g(shù)=[g1,g2,…,gM]T，表示信源與中繼節(jié)點之間的信道增益；h=[h1,h2,…,hM]T，表示中繼節(jié)點與接收機之間的信道增益。

圖1　系統(tǒng)模型

基于中繼節(jié)點接收信號的處理方式不同，提出兩種中繼策略。當(dāng)節(jié)點根據(jù)時間切換儲存隊列，先收集能量再進行信息儲存時，稱之為時間切換模式[8-9]；當(dāng)節(jié)點根據(jù)功率將信號分離至儲存隊列，同時進行能量收集和信息儲存時，稱之為能量分割模式[10]。

2系統(tǒng)吞吐量分析

2.1時間切換模式

如圖2所示，在時間切換模式下，中繼節(jié)點首先接收信號進行能量收集；當(dāng)能量收集過程結(jié)束后，中繼節(jié)點再將接收到的信號存入數(shù)據(jù)隊列并進行譯碼。

圖2　時間切換模式

(1)

式中，Pp表示源節(jié)點發(fā)射功率，n1表示中繼節(jié)點處M×1維的加性高斯白噪聲矢量，且n1～CN(0,σ2IM)。為了提高性能，對接收到的信號都進行最大比合并處理，那么中繼節(jié)點的接收信噪比為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，0<ε<1為能量收集效率，0≤τ≤1為能量收集時間。

因此，根據(jù)DF協(xié)議[11-12]，系統(tǒng)吞吐量為：

(6)

2.2能量分割模式

如圖3所示，在能量分割模式下，中繼節(jié)點將接收到的信號按比例η(0≤η≤1)和1-η分別存入能量隊列和數(shù)據(jù)隊列。當(dāng)能量與信息都接收完畢之后，再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給接收機。

圖3　能量分割模式

此時中繼節(jié)點數(shù)據(jù)隊列接收到的信號為：

(7)

式中，n3表示中繼節(jié)點處M×1維的加性高斯白噪聲矢量，且n3～CN(0,σ2IM)。因此中繼節(jié)點的接收信噪比為：

(8)

接收機的瞬時信噪比為：

(9)

PS2表示中繼節(jié)點在時間分割模式下的發(fā)射功率，此模式下收集到能量的總量為：

(10)

因此整個系統(tǒng)的吞吐量為：

(11)

3優(yōu)化系統(tǒng)吞吐量

3.1時間切換模式

時間切換模式下，從式(2)和式(4)的可以看出，系統(tǒng)吞吐量不僅與發(fā)射功率有關(guān)系，還取決于多天線的信道增益。但在多天線模型中，信道增益是隨著天線數(shù)目的增加而增大的，因此在對最優(yōu)值進行求解時，我們假設(shè)天線數(shù)目固定，此時信道增益為定值。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)式(6)的吞吐量分析，優(yōu)化目標(biāo)如下：

s.t. 0<ε<1

0≤τ≤1

(12)

考慮到優(yōu)化因子PS1與另一優(yōu)化因子τ有關(guān)系，這樣只需要對τ進行優(yōu)化，則系統(tǒng)吞吐量就可以獲得最優(yōu)解。當(dāng)γ1≤γ2時，則：

(13)

可解得:

(14)

若γ1>γ2，則：

(15)

(16)

(17)

3.2能量分割模式

s.t. 0<ε<1

0≤η≤1

(18)

當(dāng)γ3≤γ4時，即：

(19)

得：

(20)

當(dāng)γ3>γ4，即：

(21)

4仿真結(jié)果

圖4、圖5顯示的是系統(tǒng)在時間切換模式下的吞吐量。由圖可知，在發(fā)射功率相同或者天線數(shù)目一致時，其對應(yīng)的最大系統(tǒng)吞吐量都隨著天線數(shù)目的增加或者發(fā)射功率的增強不斷增大。但最佳能量收集時間正相反，發(fā)射功率的增強或天線數(shù)目增加都會縮短最佳能量收集時間，且功率引起的變化較小。

圖4　在相同發(fā)射功率不同天線數(shù)目情況下

圖5　在相同天線數(shù)目不同發(fā)射功率情況下

圖6、圖7顯示的是系統(tǒng)在能量分割模式下的吞吐量。由圖可知，與時間切換模式相同，在發(fā)射功率相同或者天線數(shù)目一致時，其對應(yīng)的最大系統(tǒng)吞吐量都隨著天線數(shù)目的增加或者發(fā)射功率的增強不斷增大。但對于功率分配比例而言，隨著天線數(shù)目的增加，其最優(yōu)值是不斷減小的，而發(fā)射功率的增強則會使最優(yōu)值增大。

圖6　在相同發(fā)射功率不同天線數(shù)目情況下

圖7　在相同天線數(shù)目不同發(fā)射功率情況下

圖8顯示的是兩種工作模式在不同的天線數(shù)目下的最佳吞吐量。

圖8　在不同天線數(shù)目情況下時間切換模式

隨著信噪比的增大，最佳吞吐量都不斷增大。但在相同天線數(shù)目下，能量分割模式的最佳吞吐量始終優(yōu)于時間切換模式下的最佳吞吐量。并且，隨著信噪比的增大，二者之間的差距也不斷增加，甚至，天線數(shù)目少的能量分割模型在發(fā)射功率達到一定程度時其最佳吞吐量可以超過天線數(shù)目多的時間切換模型。

5結(jié)語

本文以一個發(fā)射機，一個接收機和一個多天線中繼節(jié)點為通信模型，在DF模式下，分析了時間切換模式和能量分割模式中系統(tǒng)吞吐量如何實現(xiàn)最優(yōu)化。仿真實驗分析了系統(tǒng)吞吐量與發(fā)射功率、天線數(shù)目、能量收集時間和能量分配比例之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在天線數(shù)目和信噪比相同的情況下，相較于時間切換模式下的系統(tǒng)，能量分割模式擁有更好的系統(tǒng)性能。通過分析，可以發(fā)現(xiàn)其原因為能量分割模式下的系統(tǒng)在硬件上有更高的需求，其中繼節(jié)點的每根天線都需要增加一個處理信號的前端。

參考文獻：

[1]Ali A. Nasir,ZHOU Xiang-yun, Salman Durrani. Relaying Protocols for Wireless Energy Harvesting and Information Processing[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 12, no. 7, pp. 3622-3636,Jul. 2013.

[2]羅夢麟，陳勇，張建照等. 協(xié)同認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)中繼節(jié)點選擇算法[J].通信技術(shù),2015,48(03):318-324.

LUO Meng-lin, CHEN Yong, ZHANG Jian-zhao，et al. Self-Adaptive Relay Selection Algorithm in Cooperative Cognitive Radio Networks[J]. Communications Technology,2015,48 (03): 318-324.

[3]ZHANG R and HO C K. MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 12, no. 5, pp. 1989-2001, May 2013.

[4]HUA S, LIU H, WU M. Exploiting MIMO Antennas in Cooperative Cognitive Radio Networks[C]. in Proc. IEEE INFOCOM, Apr 2011, pp. 2714-2722.

[5]LIU Liang, ZHANG Rui, CHUA Kee-Chaing. Multi-Antenna Wireless Powered Communication With Energy Beamforming [J]. IEEE Transactions on Communications, vol.62, no.12, pp.4349-4361, Dec. 2014.

[6]ZHENG Gan, Ho Z, Jorswieck E A. Information and Energy Cooperation in Cognitive Radio Networks[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, vol.62, no.9, pp.2290-2303, May, 2014

[7]LI Wen-ming, ZHENG Nan, WANG Xin. Optimal Transmission Policy for Energy-Harvesting Powered MIMO Multi-Access Channels[C]. 2014 IEEE/CIC International Conference on Communications in China (ICCC), vol.13, no.15, pp.286-291, Oct. 2014.

[8]Nasir A A, ZHOU Xiang-yun, Durrani. Wireless-Powered Relays in Cooperative Communications: Time-Switching Relaying Protocols and Throughput Analysis[J]. IEEE Transactions on Communications, vol.63, no.5, pp.1607-1622, May 2015.

[9]DING Zhi-guo, ZHONG Cai-jun, Ng D W K. Application of Smart Antenna Technologies in Simultaneous Wireless Information and Power Transfer[J]. IEEE Communications Magazine , vol.53, no.4, pp.86-93, Apr. 2015.

[10]GAO Qing-he, JING Tao, XING Xiao-shuang. Simultaneous Energy and Information Cooperation in MIMO Cooperative Cognitive Radio Systems[C]. 2015 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), vol. 9, no.12, pp.351-356, March 2015.

[11]Laneman J N, Tse D N C and Wornell G W. Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols and Outage Behavior[J]. IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 50, no. 12, pp. 3062-3080, Dec. 2004.

[12]Cover T and Gamal A E. Capacity Theorems for the Relay Channel [J]. IEEE Trans. Inf. Theory, vol. IT-25, no. 5, pp. 572-584, Sep. 1979.

InformationTransmissionPolicyforMulti-AntennaRelayCommunicationSystemwithEnergyHarvesting

YANKai-qiang,LIUHui-dong,RENGuo-chun,CHENJin,CHENHui-lin

(CollegeofCommunicationEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,NanjingJiangsu210007,China)

Abstract：MIMO technology can exponentially enhance the throughput and QoS of the wireless communication system without any increase of bandwidth and transmission power. This article discusses how to improve the throughput of energy harvesting relay communication system when energy harvesting and MIMO technologies are simultaneously implemented in system. Firstly the operation mode is divided into time switching mode and power splitting mode in accordance with the method for handling signal. Then the optimal strategies of the two modes are analyzed separately. Finally, the throughputs of energy harvesting relay communication system in two operation modes are compared. Simulation results indicate that the power splitting mode could achieve greater throughput in the same external environment.

Key words：energy harvesting;relay communication;MIMO;time switching;power splitting

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.05.013

* 收稿日期：2015-12-18；修回日期：2016-04-07Received date:2015-12-18；Revised date：2016-04-07

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年項目(No.61501510)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China for Youth(No.61501510)

中圖分類號：TN92

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)05-0576-06

作者簡介：

晏凱強(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向為協(xié)作通信、移動通信；

劉慧東(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為認(rèn)知無線電、頻譜感知；

任國春(1965—)，男，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為短波通信、移動通信；

陳瑾(1971—)，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為移動通信、認(rèn)知無線電、通信對抗；

陳慧林(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為移動通信、信道編碼。