CN107995680A - 带有干扰能量收集的swipt中继功率分割系数调整方法 - Google Patents

带有干扰能量收集的swipt中继功率分割系数调整方法 Download PDF

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Abstract

本发明方法涉及带有干扰能量收集的SWIPT中继功率分割系数调整方法，属于无线通信技术领域。在SWIPT中继受到干扰无法通信时，本方法将干扰过程中的干扰能量进行收集，然后将收集到的干扰能量均分到后续的信能传输过程中。由于信能传输过程中的每个时间块都有了初始能量，中继的最佳功率分割系数发生改变。本方法给出最佳功率分割系数与干扰功率、干扰占比的函数关系。在环境中干扰功率、干扰占比发生变化时，本方法可以动态地调节功率分割系数，使系统速率达到最大，从而降低了干扰造成系统速率的损失。

Description

带有干扰能量收集的SWIPT中继功率分割系数调整方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及带有干扰能量收集的SWIPT中继功率分割系数调整方法。
背景技术
近些年，能量收集(Energy Harvesting，EH)在能量受限的无线通信网络中备受关注。射频信号早已广泛地应用于信息传输(Information Transfer，IT)。除了其它可再生能源，例如太阳能和风能，射频信号成为另一种可用于能量传输的能源。因此，如何利用射频信号进行信息和能量的同时传输(Simultaneous Wireless Information andPowerTransfer，SWIPT)成为了学者研究的焦点。
中继可以扩大通信覆盖范围，提高通信质量，基于SWIPT的中继系统也得到了广泛关注。在有较强干扰时，由于接收信号的信噪比急剧下降，SWIPT中继无法完成通信，只能等到干扰结束后才能继续运行。显然，这造成了系统速率的下降。然而，干扰在影响中继通信的同时也带来了能量，将这些能量进行收集将有助于后续的信能同传。
发明内容
针对SWIPT中继对于干扰处理方法研究的空白，本发明提出带有干扰能量收集的SWIPT中继功率分割系数调整方法。本发明方法考虑基于功率分割策略的SWIPT中继系统，其中，发射机和接收机为有源，中继为无源，结构框图在图1中给出。
首先，将整个传输过程分为干扰过程和信能传输过程。假设干扰过程持续时间为mT，其中T表示时间块，信能传输过程持续时间为nT，并假设m≤n，示意图在图2中给出。假设发生干扰前，系统的功率分割系数为ρ，干扰结束后，系统的最佳功率分割系数为ρ*。
在干扰过程，中继将干扰的能量进行收集，并将收集到的干扰能量均分到信能传输过程的每个时间块中，均分后的干扰能量记为IEH。将干扰功率记为PI，那么收集干扰获得的能量为EI＝ηPImT，其中η为能量转换效率。将这些能量均分到后续的n个时间块T中，每个时间块分得的能量表示为
E′I＝η(m/n)PIT＝ηξPIT
式中，ξ＝m/n定义为干扰占比，表征了干扰过程的持续时间相对于信能传输过程的持续时间的比值。
在信能传输过程中，由于每个时间块都得到了一部分干扰能量IEH，因此最佳功率分割系数发生改变，通过理论推导可以得到最佳功率分割系数为
式中，
上式中的符号说明如下：h为发射机到中继的信道增益，g为中继到接收机的信道增益，为中继接收天线引入的噪声的功率，为接收机天线引入的噪声的功率，为功分器引入的噪声的功率，P为发射机的发射功率。
此时，最佳系统速率为
最佳功率分割系数的表达式给出了最佳功率分割系数与干扰功率和干扰占比的函数关系。当干扰功率和干扰占比改变时，中继的最佳功率分割系数也会随之改变，利用本发明方法得到的最佳功率分割系数与干扰功率和干扰占比的函数关系可以动态地调节功率分割系数，使之工作在最佳功率分割系数情况下，并获得最佳系统速率。
附图说明：
为了更清楚的说明本发明方法的技术方案及其效果，下面将对描述中所需要使用的附图作简单的介绍。
图1是基于功率分割的SWIPT中继系统结构框图；
图2是本发明方法干扰能量分配示意图；
图3是有无采用本发明方法对系统速率的影响比较；
图4是干扰功率对最佳功率分割系数的影响；
图5是干扰占比对最佳功率分割系数的影响。
具体实施方式：
为使本发明的中继功率分割系数调整方法及其对SWIPT系统性能的提升更加清楚，下面将结合附图对本发明方法进一步详细描述。
在图1的系统结构下，图2给出干扰能量分配示意图。横轴表示时间，纵轴表示信号功率。EH的纵坐标长度表示在信能传输过程中从信号中分割的功率，用于收集能量，EH的面积表示收集到的能量；IT的纵坐标长度表示在信能传输过程中从信号中分割的功率，用于接收信号。图2中“干扰”的纵坐标长度表示在干扰过程中干扰功率，面积表示收集的干扰能量。
干扰结束后，收集的干扰能量被均分到后续n个时间块T中，每个时间块T分得的能量即为IEH的面积。由于每个时间块T中获得了干扰能量的一部分，因此，最佳功率分割系数也随之改变。更进一步地，在干扰功率和干扰占比发生改变时，最佳功率分割系数也会随之改变。因此，本发明方法给出了最佳功率分割系数与干扰功率和干扰占比的函数关系。
定义由发射机到中继的无线信道为下行链路，信道增益为h。由中继到接收机的无线信道为上行链路，信道增益为g。
经过下行信道传输，中继接收到发射机发射的信号为
式中，nA是中继接收天线引入的噪声，并且表示该噪声服从均值为0、方差为的圆对称复高斯分布。中继转发的信号为
式中，是功分器引入的噪声。中继的放大转发功率为
式中，EEH为信能传输过程中中继收集的能量，并且有
EEH＝ηhρPT
所以，中继的放大转发功率的表达式可以写为
Pr＝η(hρP+ξPI)
由中继发出的信号为
经过上行信道传输，接收机的接收信号为
式中，是接收机天线引入的噪声。
接收信号的信噪比为
由香农公式可以得到系统速率为
使用极值法求求解系统速率的最大值。求系统速率的一阶导数并令其为0，即R′(ρ)＝0，可以得出极值点，并记为ρ*。验证极值点处的二阶导数，若R″(ρ*)＜0，则R(ρ*)为系统速率最大值点，并定义为最佳系统速率。此时，ρ*定义为最佳功率分割系数，经过计算可得
式中：
上式即为最佳功率分割系数与干扰功率和干扰占比的函数关系。此时，最佳系统速率为
本发明方法使用Matlab进行了仿真。图3给出未采用本方法与采用本方法时系统速率的对比，可以看出，收集干扰的能量明显可以使系统速率得以提升。图3仿真参数设置如下：h＝1，g＝1，P＝200，PI＝100，η＝1，ξ＝0.2。
当干扰功率和干扰占比改变时，中继的最佳功率分割系数也会随之改变，利用本发明方法得到的最佳功率分割系数与干扰功率和干扰占比的函数关系可以动态地调节功率分割系数，使之工作在最佳功率分割系数情况下，并获得最佳系统速率。图4给出最佳功率分割系数随干扰功率的变化关系，其仿真参数设置如下：g＝1，P＝200，η＝1，ξ＝0.2。图5给出最佳功率分割系数随干扰占比的变化关系，其仿真参数设置如下：h＝1，g＝1，P＝200，PI＝100，η＝1。根据本发明方法，在干扰功率和干扰占比已知后，可以调节功率分割系数，使得系统处于最佳传输状态。因此，在发生干扰时，降低了由于干扰造成的系统速率损失，提升了系统的性能。
以上内容是对本发明所作的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (2)

1.带有干扰能量收集的SWIPT中继功率分割系数调整方法，其特征在于，整个传输过程分为干扰过程和信能传输过程，干扰过程持续时间为mT，信能传输过程持续时间为nT，其中T定义为时间块；在干扰过程中，无源的中继仅收集干扰能量；在信能传输过程中，中继将干扰过程所收集的干扰能量平均分配到后续的n个时间块中，每个时间块都有了初始能量，本方法给出中继在信能传输过程中的最佳功率分割系数ρ*，其表达式为
<mrow> <msup> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>*</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>-</mo> <msqrt> <mi>&amp;mu;</mi> </msqrt> <mo>+</mo> <msup> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msup> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>hP&amp;sigma;</mi> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>hP&amp;sigma;</mi> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;eta;&amp;xi;ghPP</mi> <mi>I</mi> </msub> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <msup> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msup> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>hP&amp;sigma;</mi> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msup> <mi>&amp;eta;gh</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msup> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中，
<mrow> <mi>&amp;mu;</mi> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>hP&amp;sigma;</mi> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>g</mi> <mi>h</mi> <mi>P</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;xi;&amp;eta;gP</mi> <mi>I</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>hP&amp;sigma;</mi> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>hP&amp;sigma;</mi> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;xi;P</mi> <mi>I</mi> </msub> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;xi;hPP</mi> <mi>I</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
上述表达式中的符号说明如下：h为发射机到中继的信道增益，g为中继到接收机的信道增益，为中继接收天线引入的噪声的功率，为接收机天线引入的噪声的功率，为功分器引入的噪声的功率，P为发射机的发射功率，PI为干扰功率，η为能量转换效率，ξ＝m/n为干扰占比。
2.根据权利要求1所述带有干扰能量收集的SWIPT中继功率分割系数调整方法，最佳功率分割系数ρ*，其特征在于，其表达式给出了最佳功率分割系数与干扰功率和干扰占比的函数关系；因此，在干扰功率和干扰占比发生变化时，本方法动态地调节功率分割系数，并使其等于最佳功率分割系数ρ*，从而使系统性能得到提升。
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