具有SWIPT和自能量回收的非分時(shí)全雙工中繼系統(tǒng)

周葉寧 李陶深 王 哲 肖 楠

(廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院 南寧 530004)1636767812@qq.com)

利用從周圍環(huán)境中捕獲的無線能量代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線電或電池來給網(wǎng)絡(luò)中的無線設(shè)備供電，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值.基于射頻(radio frequency， RF)信號(hào)的信息傳輸和能量捕獲技術(shù)已經(jīng)成為新一代無線通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)和提供電能的替代方法.而探索新的方法或技術(shù)來提高無線系統(tǒng)的性能對(duì)促進(jìn)無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用.基于射頻信號(hào)，采用無線攜能通信(simultaneous wireless information and power transfer, SWIPT)技術(shù)實(shí)現(xiàn)攜帶信息波和能量波的RF信號(hào)在無線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸已成為未來研究的發(fā)展趨勢，為實(shí)現(xiàn)通過能量捕獲來給無線設(shè)備供電提供了理論基礎(chǔ)[1-3].

基于無線通信傳輸系統(tǒng)，人們提出了2種不同的能量收集策略，即基于功率分流(power splitting, PS)的中繼協(xié)議和基于時(shí)間切換(time switching, TS)的中繼協(xié)議[4-7].其中，文獻(xiàn)[5]提出了使用多天線和協(xié)調(diào)多點(diǎn)系統(tǒng)來減少路徑損耗并提高系統(tǒng)效率.鑒于中繼技術(shù)對(duì)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)傳輸范圍、提高系統(tǒng)吞吐量等起著重要作用，文獻(xiàn)[6-7]考慮在能量受限的半雙工(half-duplex, HD)中繼系統(tǒng)中應(yīng)用SWIPT技術(shù).文獻(xiàn)[8-10]以最大化吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)來描述系統(tǒng)性能，并采用半定松弛(semi-determined relaxation， SDR)方法去求解問題.

本文的主要貢獻(xiàn)包括4個(gè)方面：

1) 提出了具有SWIPT和自能量回收的非分時(shí)全雙工中繼系統(tǒng)，通過應(yīng)用SWIPT技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息與能量的同步傳輸；

2) 利用空閑的可供電無線終端設(shè)備作為能量接入點(diǎn)(energy access point, EAP)，實(shí)現(xiàn)能量受限的中繼利用從源節(jié)點(diǎn)和多個(gè)相似EAP捕獲的能量來提供自身工作的電能消耗；

3) 通過模擬實(shí)驗(yàn)說明了所提出系統(tǒng)的性能在解碼轉(zhuǎn)發(fā)(decode-and-forward, DF)協(xié)議下優(yōu)于在放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify-and-forward, AF)協(xié)議下的系統(tǒng)性能；

4) 對(duì)比了半雙工(half-duplex with SWIPT, HD-SWIPT)和傳統(tǒng)全雙工(full-duplex without SWIPT, FD-no-SWIPT)中繼系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的方案在提高系統(tǒng)性能方面具有更顯著的增益.

1 相關(guān)工作

最近，關(guān)于在無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用自能量回收的技術(shù)已成為眾多研究者關(guān)注的對(duì)象.人們初步探討了將自能量回收技術(shù)應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信系統(tǒng)和無線中繼系統(tǒng)中，能量受限的節(jié)點(diǎn)僅利用從接入點(diǎn)捕獲的專有能量和自回收能量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[11-14].其中，文獻(xiàn)[13-14]考慮了聯(lián)合發(fā)射波束成形和接收功率分配設(shè)計(jì)在下行鏈路中采用SWIPT的多用戶廣播系統(tǒng)，提出了用非凸優(yōu)化的二階錐規(guī)劃松弛方法來解決聯(lián)合優(yōu)化問題.

在文獻(xiàn)[15-17]中，一種具有自能量回收的無線供電全雙工中繼系統(tǒng)被提出，人們?cè)趥鹘y(tǒng)3階段傳輸協(xié)議基礎(chǔ)上提出了采用一種新穎的兩階段傳輸協(xié)議.文獻(xiàn)[16]考慮了在具有自能量回收的全雙工(full-duplex, FD)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中采用SWIPT技術(shù)，并通過應(yīng)用SDR解決給出信噪比和捕獲能量約束的非凸問題.而具有自能量回收的全雙工無線中繼系統(tǒng)的安全波束成形也得到深入研究[18-20].但是，現(xiàn)有對(duì)無線中繼系統(tǒng)的研究都是基于傳統(tǒng)3階段、2階段分時(shí)傳輸協(xié)議下進(jìn)行的信息與能量分別傳輸，且提出的SWIPT技術(shù)還沒有得到更廣泛的應(yīng)用，而在全雙工中繼系統(tǒng)中結(jié)合應(yīng)用SWIPT和自能量回收技術(shù)的研究比較少，是一個(gè)新的研究方向和挑戰(zhàn).

本文提出一個(gè)具有SWIPT和自能量回收的非分時(shí)全雙工中繼系統(tǒng).該系統(tǒng)充分利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中處于中繼附近的多個(gè)空閑的可存儲(chǔ)電能的無線設(shè)備作為EAP，應(yīng)用SWIPT技術(shù)在源節(jié)點(diǎn)傳輸攜帶信息和能量的RF信號(hào)到中繼，能量受限的中繼采用PS方案對(duì)接收的RF信號(hào)進(jìn)行信息解碼(information decoding, ID)和能量捕獲(energy harvesting, EH)，且通過捕獲來自源節(jié)點(diǎn)的專有能量和多個(gè)相似EAP的補(bǔ)充能量來協(xié)作傳輸數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn).由于中繼的全雙工傳輸模式，使得中繼可通過環(huán)路信道捕獲部分自回收的能量，且由于系統(tǒng)的非分時(shí)傳輸特性實(shí)現(xiàn)了信息傳輸、能量傳輸和協(xié)作傳輸在1個(gè)時(shí)間塊中同步進(jìn)行.為了最大化系統(tǒng)吞吐量，系統(tǒng)采用二次優(yōu)化、SDR和變量消減方法將原多變量非凸問題轉(zhuǎn)換為半定規(guī)劃問題，運(yùn)用拉格朗日方法進(jìn)行求解，并聯(lián)合優(yōu)化了中繼發(fā)射功率、中繼發(fā)射波束成形向量和功率分配比率.仿真實(shí)驗(yàn)說明了所提出的系統(tǒng)性能的優(yōu)越性.

本文先描述所提出的SWIPT全雙工中繼系統(tǒng)模型；重點(diǎn)闡述在AF和DF下的系統(tǒng)吞吐量優(yōu)化問題及最優(yōu)解；然后簡要介紹半雙工和傳統(tǒng)全雙工2個(gè)對(duì)比中繼系統(tǒng)；再給出模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行系統(tǒng)性能分析；最后，對(duì)全文的研究內(nèi)容進(jìn)行概括總結(jié).

2 系統(tǒng)模型

考慮了采用無線攜能通信技術(shù)的具有自能量回收的全雙工中繼系統(tǒng)，本文提出了如圖1所示的中繼系統(tǒng)結(jié)構(gòu).在該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，配備有多根發(fā)射天線的源節(jié)點(diǎn)，把RF信號(hào)發(fā)射到具有雙接收天線和多根發(fā)射天線的中繼節(jié)點(diǎn)，中繼的一根接收天線用于接收來自源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，另一根天線捕獲從EAP傳輸來的能量，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息經(jīng)中繼協(xié)作傳輸?shù)脚鋫鋯胃邮仗炀€的目的節(jié)點(diǎn)，多個(gè)EAP作為能量受限中繼的能量補(bǔ)給站[3].設(shè)定EAP是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中處于中繼附近的可存儲(chǔ)電能無線設(shè)備，當(dāng)該無線設(shè)備有能量剩余時(shí)可給中繼供電，這樣使得無線設(shè)備存儲(chǔ)的多余能量不至于浪費(fèi).中繼可通過環(huán)路信道進(jìn)行自能量回收，從而無需額外配置硬件或采用其他方法去消除自干擾.

Fig. 1 SWIPT full-duplex relay system圖1 SWIPT全雙工中繼系統(tǒng)

圖2給出了系統(tǒng)中繼接收端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖.接收端根據(jù)已有研究提出的PS方案將接收的RF信號(hào)分成信息流和能量流，其中以ρ∈(0,1)的功率分配比用于ID，以1-ρ的功率分配比用于EH[13].本文在能量受限的中繼處設(shè)置功率分配器進(jìn)行ID和EH，中繼通過能量捕獲器將從源節(jié)點(diǎn)和EAP捕獲的能量轉(zhuǎn)換為可供中繼運(yùn)作的電能并存儲(chǔ)在可存儲(chǔ)電池中，被捕獲的能量用于發(fā)射信息到目的節(jié)點(diǎn).

Fig. 2 SWIPT full-duplex relay receiver structure圖2 SWIPT全雙工中繼接收端結(jié)構(gòu)

本文提出的中繼系統(tǒng)傳輸協(xié)議如圖3所示.不同于傳統(tǒng)的分時(shí)隙階段型傳輸信息與能量的中繼系統(tǒng)，本文系統(tǒng)在整個(gè)傳輸時(shí)隙塊中，實(shí)現(xiàn)信息傳輸、能量捕獲和協(xié)作傳輸在1個(gè)時(shí)間塊中同步進(jìn)行.

Fig. 3 Relay transmission protocol with SWIPT圖3 SWIPT中繼傳輸協(xié)議

(1)

(2)

(3)

通過消除自干擾信號(hào)后，接收到的信息信號(hào)可表示為

(4)

其中n～CN(0,σ2)是在中繼處進(jìn)行ID后額外引入的加性高斯白噪聲.在目的節(jié)點(diǎn)處接收的信號(hào)為

(5)

忽略噪聲n2攜帶的能量，用0<η<1表示能量轉(zhuǎn)換效率，則中繼捕獲的總能量表示為

(6)

忽略自干擾信號(hào)，在中繼處的第2跳(源節(jié)點(diǎn)到中繼)的信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)表示為

(7)

在目的節(jié)點(diǎn)處的第2跳(中繼到目的節(jié)點(diǎn))的SNR表示為

(8)

忽略時(shí)間延遲τ，系統(tǒng)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)整個(gè)鏈路的綜合SNR可表示為

(9)

3 問題提出及最優(yōu)解

3.1 放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)中繼系統(tǒng)

首先考慮在所提中繼系統(tǒng)中采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的情況，用δ表示放大系數(shù)，則其表達(dá)式為

(10)

因此，在基于AF協(xié)議下，代入綜合SNR來表示系統(tǒng)的吞吐量Th為

(11)

(12)

在目標(biāo)函數(shù)中包含PR，ρ是考慮了系統(tǒng)自能量回收及能量-速率平衡帶來的系統(tǒng)效益.為了保證系統(tǒng)持續(xù)的信息傳輸以及延長中繼的生命周期，中繼捕獲的能量需要高于給定的能量目標(biāo)閾值ε，并且為保證中繼持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，中繼發(fā)射功率PR值不應(yīng)該高于ε.最優(yōu)化問題可以描述為：

問題P0:

(13)

0

(14)

0<ρ<1.

(15)

顯然，由于PR，ρ和波束成形向量v的耦合以及v在約束中的二次項(xiàng)使得原始問題是非凸的，采用半定規(guī)劃方案來解決原始優(yōu)化問題.

問題P0-SDR:

(16)

0

(17)

σ2<ρR,

(18)

VR0,

(19)

其中VR0表示VR為正半定矩陣，P0-SDR問題可以通過現(xiàn)有的優(yōu)化軟件求出最優(yōu)解.若半定規(guī)劃問題的最佳波束形成矩陣滿足則原始問題P0的最優(yōu)解等價(jià)于問題P0-SDR[16].本文利用拉格朗日方法求解不等式約束優(yōu)化，并根據(jù)約束優(yōu)化的KKT條件設(shè)置拉格朗日函數(shù)來求得最優(yōu)解[21],為每個(gè)約束定義拉格朗日乘數(shù)變量λ1≥0，λ2≥0，λ3≥0，Φ≥0，則問題P0-SDR對(duì)應(yīng)的拉格朗日函數(shù)是

λ2(-tr(VR)+ε)-λ3(ρR-σ2)-tr(ΦVR),

(20)

由此，可推導(dǎo)出

(21)

(22)

3.2 解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)中繼系統(tǒng)

本節(jié)描述了所提出的系統(tǒng)在采用DF中級(jí)協(xié)議下的系統(tǒng)性能，忽略時(shí)間延遲τ，采用DF的系統(tǒng)從源節(jié)點(diǎn)到中繼與中繼到目的節(jié)點(diǎn)的吞吐量ThSR，ThRD分別為：

1) 當(dāng)信噪比γ1<γ2時(shí)，有

(23)

2) 當(dāng)信噪比γ1≥γ2時(shí)，有

(24)

因此解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)的吞吐量可表示為

Th=min{lb(1+γ1),lb(1+γ2)}.

(25)

4 2個(gè)對(duì)比系統(tǒng)

本節(jié)簡要介紹半雙工中繼系統(tǒng)和傳統(tǒng)全雙工中繼系統(tǒng)，它們都是分時(shí)傳輸中繼系統(tǒng).在半雙工中繼系統(tǒng)仍采用SWIPT技術(shù)，但由于半雙工傳輸特性使得該系統(tǒng)不具有能夠進(jìn)行自能量回收的條件；在傳統(tǒng)全雙工中繼系統(tǒng)中不采用SWITP技術(shù)，但能夠進(jìn)行自能量回收.除了是否配置功率分配器和中繼傳輸協(xié)議有不同，這2個(gè)對(duì)比中繼系統(tǒng)的硬件配置和其他假設(shè)條件與所提出系統(tǒng)相同.

4.1 半雙工中繼系統(tǒng)(HD-SWIPT)

Fig. 4 HD relay transmission protocol with SWIPT圖4 具有SWIPT的半雙工中繼傳輸協(xié)議

半雙工中繼系統(tǒng)簡要縮寫為HD-SWIPT.由于在第1階段應(yīng)用SWIPT技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息能量傳輸，所以在中繼處需配置功率分配對(duì)RF信號(hào)進(jìn)行ID和EH.該半雙工中繼系統(tǒng)傳輸協(xié)議如圖4所示，其將總傳輸時(shí)隙塊T分為2個(gè)T2時(shí)隙，在第1階段源節(jié)點(diǎn)同步傳輸信息與能量到中繼，同時(shí)中繼捕獲來自EAP的能量，在第2階段中繼利用捕獲的能量放大轉(zhuǎn)發(fā)信息到目的節(jié)點(diǎn)，由于中繼系統(tǒng)的半雙工傳輸特性，使得系統(tǒng)不存在從環(huán)路信道進(jìn)行回收的能量.

第1階段.在中繼處接收的信號(hào)進(jìn)行ID和EH后可分別描述為

(26)

(27)

第2階段.在目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)為

(28)

因此，系統(tǒng)捕獲的總能量為

(29)

忽略時(shí)間延遲τ，系統(tǒng)吞吐量表達(dá)式為

(30)

將優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)換為等效的半定規(guī)劃問題P1.

問題P1:

(31)

0

(32)

0<ρ<1.

(33)

同理，應(yīng)用SDR、秩松弛、變量消減和拉格朗日方法對(duì)原始問題P1進(jìn)行轉(zhuǎn)化及求解.

4.2 傳統(tǒng)全雙工中繼系統(tǒng)(FD-no-SWIPT)

傳統(tǒng)全雙工中繼系統(tǒng)簡要縮寫為FD-no-SWIPT.在該中繼系統(tǒng)中不采用SWIPT技術(shù)，信息和能量分時(shí)傳輸，所以無需配置功率分配器進(jìn)行信號(hào)分流.其傳輸過程分2個(gè)階段，在前T2，從源節(jié)點(diǎn)傳送信息到中繼，在后T2，中繼從源節(jié)點(diǎn)和EAP捕獲能量并同時(shí)放大轉(zhuǎn)發(fā)信息到目的節(jié)點(diǎn)，該中繼傳輸協(xié)議如圖5所示.由于全雙工傳輸特性使得系統(tǒng)產(chǎn)生自干擾信號(hào)，繼而中繼可從環(huán)路信道捕獲能量.

Fig. 5 Relay transmission protocol without SWIPT圖5 不具有SWIPT的中繼系統(tǒng)傳輸協(xié)議

第1階段.在中繼處接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)為

(34)

第2階段.在中繼與目的節(jié)點(diǎn)處接收的能量與信息信號(hào)分別為

(35)

(36)

系統(tǒng)捕獲到的總能量為

(37)

忽略時(shí)間延遲τ，則系統(tǒng)的吞吐量為

(38)

轉(zhuǎn)換為等效優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，則傳統(tǒng)全雙工中繼系統(tǒng)的最優(yōu)化問題可以描述為：

問題P2:

(39)

0

(40)

同理，省略對(duì)原始問題P2的轉(zhuǎn)換及求解過程.

5 模擬實(shí)驗(yàn)與性能分析

本實(shí)驗(yàn)的目的在于評(píng)估和驗(yàn)證本文系統(tǒng)的性能增益.在不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置下，模擬出不同實(shí)驗(yàn)對(duì)象的變化走向趨勢圖.模擬實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)系統(tǒng)帶寬為10 MHz，接收器的加性高斯白噪聲功率譜密度為-140 dBmHz，各參數(shù)設(shè)置為σ2=-50 dBm，η=0.5.使用瑞利衰落來模擬系統(tǒng)中源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的信道，并且在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間每間隔5 m信號(hào)衰減設(shè)置為40 dBm[18].信道由表達(dá)式描述為

其中，由遠(yuǎn)場均勻線性天線陣列模型hLoS=10-2(1,χjα,χ2jα,…,χ(M-1)jα)T表示視距(line of sight, LoS)信道，α=2πdsin (φ)l，且中繼處的連續(xù)天線元件的間隔d=l2，其中l(wèi)是載波波長，φ=60°是中繼到目的節(jié)點(diǎn)的偏離角度，將瑞利衰落因子設(shè)置為5 dB.模擬瑞利衰落信道的非視距(not line of sight, NLoS)信道的每個(gè)元素服從均值為零、協(xié)方差為-40 dB的高斯分布隨機(jī)變量[16].g與h信道模型相同.同時(shí)，環(huán)路信道f的模型可以通過環(huán)路路徑損耗β表示為其中β=-15 dB，f為N×1矩陣.一般設(shè)置PS=20 dBm.

為了探究在中繼處的速率-能量平衡時(shí)最大化系統(tǒng)吞吐量的最佳功率分配比率ρ′，并驗(yàn)證所提出解決方法的優(yōu)化性，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了吞吐量隨功率分配比率ρ的變化趨勢.基于不同能量閾值所對(duì)應(yīng)的變化曲線，從各曲線變化值中可以分析得出最優(yōu)功率分配比率.設(shè)置ε分別為-8 dBm，-6 dBm，-4 dBm，-2 dBm，0 dBm，能量接入點(diǎn)補(bǔ)充的總能量θ=13ε,ρ從-30 dB掃描到-1 dB.如圖6所示，系統(tǒng)吞吐量隨著功率分配比率的增加而緩慢下降，且下降幅度逐漸變小而后趨于平穩(wěn)，這是由于隨著ρ值越大，在功率分配中解碼信息比捕獲能量占比越大，致使能量-速率不平衡而使吞吐量波動(dòng)幅度大，而取能量-速率平衡點(diǎn)的ρ值則更有意義.

Fig. 6 Throughput and power splitting rates at different energy thresholds圖6 在不同的能量閾值下的吞吐量與功率分配率

為了探究能使中繼系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的外部捕獲能量值θ在系統(tǒng)中的平衡點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了中繼從源節(jié)點(diǎn)捕獲的能量與系統(tǒng)吞吐量之間的關(guān)系變化.設(shè)定Q-ηθ取值從-10 dBm到2 dBm，外部補(bǔ)充能量θ分別為-13 dBm，-11 dBm，-9 dBm，-7 dBm，如圖7所示，橫坐標(biāo)值在-5 dBm時(shí)曲線明顯開始變化，表明Q-ηθ值的增加對(duì)提高系統(tǒng)吞吐量有著顯著的意義，且當(dāng)中繼從源節(jié)點(diǎn)捕獲的能量有限時(shí)，系統(tǒng)提高從EAP捕獲的能量值θ，則能更有效地提高系統(tǒng)運(yùn)行速率，該數(shù)值結(jié)果從側(cè)面反映了能量閾值在一定取值范圍內(nèi)與系統(tǒng)吞吐量成正比.

Fig. 7 Effect of the energy harvested by relay from source圖7 中繼從源節(jié)點(diǎn)捕獲的能量對(duì)系統(tǒng)的影響

Fig. 8 Effect of ε changes on the throughput of AF and DF relay systems圖8 ε變化對(duì)AF與DF中繼系統(tǒng)吞吐量的影響

圖8顯示了在給定能量接入點(diǎn)個(gè)數(shù)下，隨能量目標(biāo)閾值ε變化中所提出系統(tǒng)分別在采用AF與DF協(xié)議下的系統(tǒng)性能情況.設(shè)置每個(gè)EAP補(bǔ)充的能量θi=18ε，EAP的數(shù)量分別為k=2，k=3，k=4，能量目標(biāo)閾值從-10 dBm掃描到2 dBm.如圖8所示，系統(tǒng)吞吐量隨ε增加而呈現(xiàn)上升趨勢，且DF優(yōu)于AF中繼系統(tǒng)，但在ε值一定時(shí)，曲線函數(shù)值因?yàn)閗值不同有一點(diǎn)波動(dòng)但并未有太大的差距，由此可知，在能量效益方面，系統(tǒng)總的捕獲能量值對(duì)系統(tǒng)性能起主要影響作用，而不在于局部捕獲能量值的大小，這也側(cè)面驗(yàn)證了圖7中的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

最后，為了對(duì)比所提出系統(tǒng)與HD-SWIPT和FD-no-SWIPT中繼系統(tǒng)在相同環(huán)境下的系統(tǒng)性能，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了在不同ε值下3個(gè)中繼系統(tǒng)隨源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率增長的變化趨勢.設(shè)置ε分別為-5 dBm，0 dBm，源發(fā)射功率PS值從0 dBm掃描到30 dBm，從圖9中可知，源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率與系統(tǒng)吞吐量成正比發(fā)展趨勢.當(dāng)源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率增加到20 dBm時(shí)目標(biāo)值呈現(xiàn)平緩穩(wěn)定的增長趨勢，顯然由于自能量回收帶來的效益使得所提出的FD中繼系統(tǒng)對(duì)比于HD中繼系統(tǒng)在促進(jìn)系統(tǒng)性能方面更有意義；其次，對(duì)比于不同的全雙工中繼而采用SWIPT的系統(tǒng)對(duì)提高系統(tǒng)性能具有顯著的有效性.

Fig. 9 Effect of source node transmission power variation on system performance圖9 源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響

6 總 結(jié)

本文提出了一個(gè)采用SWIPT技術(shù)的全雙工中繼系統(tǒng).該系統(tǒng)將空閑的可存儲(chǔ)電能的無線設(shè)備作為額外的能量補(bǔ)充源，能量受限的中繼主要從源節(jié)點(diǎn)和多個(gè)相似的外部能量接入點(diǎn)(EAP)捕獲能量，且系統(tǒng)的信息傳輸、能量捕獲和協(xié)作傳輸在一個(gè)時(shí)間塊中同步進(jìn)行.本文系統(tǒng)以最大化系統(tǒng)吞吐量作為優(yōu)化目標(biāo)，采用功率分配方案進(jìn)行信息解碼和能量捕獲，且中繼通過環(huán)路信道進(jìn)行自能量回收來消除自干擾信號(hào).系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化了中繼發(fā)射功率、發(fā)射波束成形和功率分配比率，采用變量消減方法簡化問題中的復(fù)雜多變量，運(yùn)用半定規(guī)劃、秩松弛和拉格朗日等方法求解優(yōu)化目標(biāo)問題.

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1)在中繼從源節(jié)點(diǎn)捕獲的能量有限時(shí)，可以通過增加EAP的數(shù)量來提高系統(tǒng)所獲得的能量，以此來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效運(yùn)行；2)在解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)協(xié)議下，所提出的具有自能量回收的SWIPT全雙工中繼系統(tǒng)性能優(yōu)于在放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)協(xié)議下的系統(tǒng)性能；3)與HD-SWIPT和FD-No-SWIPT中繼系統(tǒng)相比，本文提出的基于SWIPT技術(shù)和非分時(shí)傳輸協(xié)議的全雙工中繼系統(tǒng)在提高系統(tǒng)性能方面具有更顯著的增益.