無線通信系統中無線攜能通信技術的性能研究

郭 晶， 盧 錦

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

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無線通信系統中無線攜能通信技術的性能研究

郭 晶， 盧 錦

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

能量受限是無線傳感器網絡應用中存在的瓶頸問題之一，為了使無線傳感器網絡獲得穩定持續的能量來源,無線攜能通信技術(SWIPT)越來越受到人們的關注.在SWIPT系統中，信息結合能量的同步傳輸十分契合無線通信對于綠色節能的要求，極大地延長了能量受限網絡(如無線傳感器網絡、軍事戰場通信等)的使用壽命.本文重點研究中繼協作系統與攜能技術相結合后，動態功率分配技術對原有系統的性能影響.給出系統中斷概率以及信道容量的閉合表達式.通過MATLAB驗證推導理論的正確性.

無線攜能通信； 中繼； 動態功率分配

0 引言

近些年，人們對于環境保護的意識有了顯著的提高，并且隨著全球物聯網產業的發展和多媒體智能技術的迅速普及，能源需求在通信業務量的爆炸性增加的同時顯著增加，建設高性能的綠色無線通信系統成為當前無線通信領域亟待研究解決的前沿課題，即信息與通信領域更“綠色環保化”的思想引起全世界通信研究領域的極高的重視.無線通信，本質上是在無需電纜等有線介質的情況下進行信息的高效便捷傳遞，突破了距離、環境等外部條件的限制，將信息發送到自由空間中，通過空間中的電磁場的無線傳播得以實現.而無線通信系統的供能來源主要分為兩種，一種是通過電網供電，另一種是蓄電池供電.電網供電包括變電、輸電和配電，比較不方便在惡劣的信道環境中工作，而儲蓄電池供電方式較之于電網供電更加便捷，易于攜帶，但其本身的存儲能力導致通信系統的能量和功率都具有很大的局限性，以至于系統的服務性能和待機時間受到制約.對此，考慮到無線能量傳輸和無線通信機制，學術界提出了一種新型的可以將信息和能量同步傳輸的思想，即無線攜能通信技術.

1 無線攜能通信技術

利用電磁波可在自由空間進行傳播這一特性，人們通過無線的方式實現信息傳輸和功率傳輸.作為兩條并行分支，無線信息傳輸技術和無線功率傳輸技術分別得到了廣泛研究和應用.但隨著無線傳感器網絡等應用場景的深入發掘，利用電磁波在無線系統中進行信息和功率聯合傳輸的應用場景得到了諸多專家學者的關注和研究.2008年麻省理工大學Varshney教授在文獻[1]中最早提出了無線信息與功率聯合傳輸的思想，并對其可能應用的場景進行了分析和預言.Varshney教授使用“容量-能量”(capacity-energy)函數推導了無線信息與功率聯合傳輸的性能公式，并針對加性高斯白噪聲(Additive White Gaussion Noise，AWGN)信道，提出了信息可達速率和能量傳輸效率之間的最佳權衡方案.隨后，無線攜能通信技術(SWIPT)的研究延伸到頻率選擇性衰落信道[2]，作者提出用一種耦合電感電路來實現近距離的信息能量同時傳輸，并對頻率選擇性信道的可達速率和能量折中進行了研究.隨后，文獻[3]研究了存在共信道干擾情況下的SWIPT技術，作者并沒有將共信道干擾視為降低信道容量的有害因素，而是提出從干擾信號中收集能量，通過優化設計研究不同的速率-能量折中性能和中斷-能量折中性能.上述研究假設接收信號可以同時用于信息解調和能量收獲，但由于電路技術的限制，該假設很難實現.針對這一問題，Zhang Rui等[4]根據實際情況首次提出時分轉換(time-switching)接收機和能量分割(power-splitting)接收機，前者通過時隙輪換的方式分別對接收信號進行信息解調和能量收集，后者通過將接收到的信號分為兩路能量流的方式分別進行信息解調和能量收集.該文獻首次對MIMO (Multiple Input Multiple Output)信道下無線信息與功率聯合傳輸進行研究,并提出了“速率-能量域”(Rate-Energy Region)性能刻畫函數.隨后，應用場景被廣泛擴展[5-14]，研究模型包括雙向傳輸系統、多用戶系統、MIMO系統、認知無線電系統、蜂窩小區網絡、大規模天線網絡等.

2 系統模型

本文重點考慮了理想通信環境下單用戶前向放大(amplify-and-forward,AF)中繼通信系統，由源端S、AF中繼R和目的端D組成.源端通過能量受限的中繼節點將信息發送給目的端.假定源端和目的端之間的直傳信道由于障礙物或者信號嚴重衰落而不存在.整個通信過程分為兩個時隙，第一時隙，源端將信息以廣播形式發送給中繼節點，并在此階段結束時，中繼節點會將接收到的信號按比例θ分為兩部分，一部分用于信息的采集，另一部分用于轉發信號所需能量的收集；第二時隙，中繼節點將接收到的信號經過放大轉發給目的端.假設所有通信信道均為瑞利衰落信道hij～CN(0,Ωij)，其中i,j～(S,R,D).系統中的信道噪聲均假設為復高斯對稱循環白噪聲且服從CN(0,N0).

第一時隙，中繼節點接收到源端發送的信號表示為：

(1)

式(1)中：Ps表示源端發送信息的能量，hsr表示源端到中繼節點的信道，xs表示信源傳輸的信號單元能量，nr表示中繼節點的加性高斯白噪聲.

第二時隙，中繼節點將放大轉發接收到的部分信號，假設放大增益為G，則此時目的端接收到的信號為：

yd=hrdGxr+nd

(2)

式(2)中：xr表示中繼節點發送的信號，hrd表示中繼節點到目的端的信道，nd表示目的端的加性高斯白噪聲，0<θ<1為動態功率分配因素，其中，接收到的信號(1-θ)部分用于信號處理.

如前所述，中繼節點接收到的信號一部分用來能量收集，一部分用于信號處理，那么，假設用于能量收集的信號表示為：

(3)

通過處理，可以得到中繼用于信號轉發的能量為：

Pr=ηθ(Ps|hsr|2+N0)

(4)

式(4)中：0<η<1表示收集能量的轉化效率.由此，可以得到放大增益G.

(5)

同理，用于信息處理的中繼信號表示為：

(6)

結合公式(2)、公式(4)、公式(5)和公式(6)，通過推導可以得到系統端到端的信噪比表達式：

(7)

式(7)中：μ=Ps/N0，γs=|hsr|2，γr=|hrd|2.

3 系統性能分析

3.1 中斷概率

中斷概率其實是鏈路容量的另一種表達方式，當鏈路容量不能滿足所要求的用戶速率時，就會產生中斷事件，被定義為瞬時信噪比低于預定的閾值γth，表示為：

Pout=Pr(γSNR<γth)=

(8)

式(8)中：

Fhsr(x)=1-e

(9)

(10)

式(9)和(10)分別為信道hsr和hrd的概率分布函數和概率密度分布函數.依據文獻[15]的公式(3.471.9)，可得系統中斷概率閉合表達式為：

(11)

式(11)中：K1(x)為二階修正貝葉斯函數.

3.2 系統遍歷容量

基于無線系統信息論遍歷信道容量可表示為：

(12)

由于很難得到該系統模型下的信道容量閉合表達式，因此將系統的信噪比進行縮放降低復雜度，如下式：

(13)

該式推導出的遍歷容量表達式與實際的性能線幾乎吻合，能夠很好的表現系統的性能變化，將于后續的蒙特卡洛仿真進行相應的證明.

至此，應用偏積分理論并且依據文獻[15]的公式(3.352.4)，可得系統遍歷容量的閉合表達式為：

(14)

式(14)中：EI(·)為指數積分函數.從推導結論看出系統的總容量主要取決于信號源到中繼點的信道增益以及信號的發送能量.

4 仿真與分析

考慮系統能量接收機的能量轉換效率為90%，也就是說，在用戶接收端所接收的信息幾乎可以完全轉換成能量進行采集與儲存，不失一般性，將系統傳輸速率設為R=1 bps/Hz.假設中繼節點的位置在源端和目的端的連線上變動.因此，源端和目的端的距離等于中繼節點與兩端的距離和.假設源端和目的端的距離等于1，則中繼節點到源端和目的端的距離d1和d2滿足0

圖1給出了系統中斷概率的蒙特卡洛仿真結果，并與理論分析給出的中斷概率閉合表達式(11)做了比較.仿真參數設置為θ=0.5，η=0.9.主要考慮三種情況：

(1)當源端到中繼節點的信道增益遠大于中繼節點到目的端的信道增益的情況；

(2)當源端到中繼節點的信道增益等于中繼節點到目的端的信道增益的情況；

(3)當源端到中繼節點的信道增益遠小于中繼節點到目的端的信道增益的情況.

圖1 在不同參數下的系統中斷概率性能

從圖1可以看出，文中的推導公式與實際的通信情況幾乎完全吻合，因此，得以證明本文推導的正確性.另外，從圖1可知,系統的中斷概率取決源端到中繼節點、中繼節點到目的端的信道增益和系統發送信號的能量，隨著發送信號能量的增加，系統中斷概率明顯減小；且當源端到中繼節點的信道增益等于中繼節點到目的端的信道增益時，系統性能最優；當源端到中繼節點的信道增益遠小于中繼節點到目的端的信道增益時，系統性能最差.從圖1中還可以看到,沒有采用SWIPT技術的AF系統中斷概率的在低信噪比區域內優于采用SWIPT技術的系統，但在高信噪比區域性能較差并出現了平臺效應，這是預料到的，因為沒有采用SWIPT技術中繼節點發送信號的能量是不變的Pr=15 dB，限制系統的性能限.

圖2給出了系統遍歷容量的蒙特卡洛仿真結果，并與理論分析給出的系統遍歷容量閉合表達式(14)做了比較.仿真參數設置為θ=0.5，η=0.9.同樣的，仍然考慮三種情況：

(1)當源端到中繼節點的信道增益遠大于中繼節點到目的端的信道增益的情況；

(2)當源端到中繼節點的信道增益等于中繼節點到目的端的信道增益的情況；

(3)當源端到中繼節點的信道增益遠小于中繼節點到目的端的信道增益的情況.

從圖2可以看出，文中的理論推導為實際的通信情況的上限，且性能幾乎吻合，因此，得以證明推導的正確性.并且，從圖2中可以看出系統的總容量取決源端到中繼節點、中繼節點到目的端的信道增益和系統發送信號的能量，隨著發送信號能量的增加，系統容量明顯增加；且系統容量主要取決于源端的信道增益，與本文的分析一致.從圖2中依然可以看到，沒有采用SWIPT技術的系統性能在高信噪比區域較差.

圖2 在不同參數下的系統遍歷容量性能

5 結論

本文針對基于SWIPT技術的協作中繼系統進行了研究，推導出系統中斷概率和系統遍歷容量的閉合關系表達式，通過蒙特卡洛仿真驗證了分析的正確性，通過分析得出結論.

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【責任編輯：蔣亞儒】

Performance analysis of SWIPT technology in wireless communication system

GUO Jing， LU Jin

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Energy constraint is the bottleneck for the application of wireless sensor networks (WSNs).In order to provide the WSNs with stable and sustainable energy,simultaneous wireless information and energy transfer ( SWIPT) attracted more and more attention.In SWIPT system,synchronous transmission of information and energy seriously fits the pursuit of green energy,which will significantly prolong the lifetime of the energy-constrained networks (such as the wireless sensor networks,military battlefield communications,and etc.).In this paper,we mainly derive the performance difference between cooperative relay system and SWIPT cooperative relay system,which use the dynamic power allocation method.We deduced the closed-form of outage probability expression and the channel capacity for SWIPT amplify and forward (AF) relay system.The correctness of our theoretical derivation has been verified by MATLAB simulation.

SWIPT; relay; dynamic power allocation

2017-01-10

陜西省教育廳專項科研計劃項目(16JK1094)； 陜西科技大學博士科研啟動基金項目(BJ16-13)

郭 晶(1983-)，女，陜西西安人，講師，博士，研究方向：中繼協作系統及無線通信

2096-398X(2017)03-0176-04

TN925

A