CN108039942A - Swipt系统中无源中继收集干扰能量来提高最优系统速率方法 - Google Patents

Swipt系统中无源中继收集干扰能量来提高最优系统速率方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了SWIPT系统中无源中继收集干扰能量来提高最优系统速率方法，属于无线通信技术领域。中继的传输方法采用基于时间分割的SWIPT技术。所述方法包括以下内容：具有无源中继的SWIPT系统在强干扰环境下停止工作，中继收集干扰信号的能量，然后将收集的干扰能量平均分配到下次干扰信号到来之前的通信过程中。采用最优化算法，系统实时动态地调整时隙分割系数，得到最优时隙分割系数和最优系统速率，从而降低具有无源中继SWIPT系统的最优系统速率受干扰信号影响的程度，改善系统性能。

Description

SWIPT系统中无源中继收集干扰能量来提高最优系统速率 方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及SWIPT系统中无源中继收集干扰能量来提高最优系统速率方法。
背景技术
射频信号不但携带要传输的信息，而且其自身也具有能量。在无线通信系统中，如果可以在使用射频信号传输信息的同时传输能量，就可以很大程度上地延长无线网络系统的使用寿命。研究射频信号信息和能量同时传输的技术被称为SWIPT技术，该项技术的研究对无线传输网络的发展具有重大意义。
中继技术可以延伸通信的覆盖范围、提高系统的容量以及提高用户的服务质量。中继作为通信系统的一个转发节点，具有接收和转发的功能，中继接收机的接收策略对系统的性能有重要的影响。
信息和能量同时传输，关键在于接收机的设计，现有接收机的接收策略，主要有时间分割(TS)、功率分割(PS)以及TS和PS相结合等几种方式。目前，在不考虑干扰的情况下，TS和PS方案都已经给出了最优策略。
无线通信系统中的干扰信号是无处不在的，过强的干扰信号使通信中断，严重影响系统的性能。然而，干扰信号作为无线信号也可以被当作能量进行收集。现有的无源中继SWIPT系统在强干扰环境下停止工作，从而导致系统速率的降低，系统性能受到很大的影响。所以，研究降低强干扰环境下系统速率受干扰信号影响程度的方法是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出SWIPT系统中无源中继收集干扰能量来提高最优系统速率方法，该方法可以在强干扰环境下降低具有无源中继SWIPT系统的最优系统速率受干扰信号影响的程度，改善系统的性能。
本发明的技术方案如下：
有源的发射机发射的信号x首先到达中继，经过中继放大转发，中继是无源的，依靠从射频信号中收集的能量来转发信号。中继接收到的信号为：其中，h为发射机到中继链路的信道增益；P为发射机的发射功率；nA为中继的天线噪声，表示nA服从均值为0、方差为的圆对称复高斯分布。
系统在运行过程中，存在以下两种情况：
(1)系统因强干扰信号而停止信息和能量同时传输工作，但是中继进入能量收集(EH)模式，从而收集干扰能量。此时，中继将持续时间为mT的干扰信号的能量收集并存储，即收集干扰能量；然后平均分配到下次干扰信号到来之前的nT时间，即n个通信时隙中，T为一个时隙的时间长度。所以，中继收集的干扰能量为：EI＝ηmTPI，其中，PI为干扰功率，η表示能量转换效率。该段干扰结束后分配到后续传输的每个通信时隙的能量为：E′I＝η(m/n)PIT＝ηξPIT，其中，ξ＝m/n，表示干扰系数，假设0≤m≤n，则0≤ξ≤1。
(2)没有干扰信号或者干扰信号不强时，系统正常工作。此时，中继在一个通信时隙内从信号中收集的能量为：EEH＝ηhPαT，其中，α为时隙分割系数。
中继的转发功率为：
经过中继放大之后的信号为：
信号被中继放大之后，发送到有源的接收机，接收机接收到的信号为：其中，g为中继到接收机链路的信道增益；nR为接收机的天线噪声，表示nR服从均值为0、方差为的圆对称复高斯分布。
所以，接收信号的信噪比表示为：
由香农公式可以得到系统速率为：
采用最优化算法，系统调整时隙分割系数α，使得系统速率R达到最大值的时隙分割系数，称为最优时隙分割系数，记为α*。在最优时隙分割系数情况下得到的最大系统速率称为最优系统速率，记为R*，其表示式为：
当干扰功率和干扰系数发生改变时，系统能够实时动态地获得最优时隙分割系数α*，从而获得在强干扰环境下SWIPT系统的最优系统速率R*。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的SWIPT系统中无源中继收集干扰能量来提高最优系统速率方法，通过收集干扰能量，调整后续通信时隙中的时隙分割系数，使传输信息的时间比例增大，收集能量的时间比例减小，从而弥补由于干扰信号造成的最优系统速率减小的问题。这样，最优系统速率受到干扰信号的影响程度会减小，干扰信号的能量也能够被充分利用。从而实现了干扰环境下最优的信息与能量同时传输。
附图说明：
图1是系统传输时隙示意图；
图2是基于时间分割的SWIPT模型；
图3是系统速率随时隙分割系数变化的仿真图；
图4是最优系统速率随干扰信号功率变化的仿真图；
图5是最优系统速率随干扰系数变化的仿真图。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明的主旨是提出SWIPT系统中无源中继收集干扰能量来提高最优系统速率方法，改善干扰环境下系统的性能。所提出的方法对于降低最优系统速率受干扰信号影响的程度具有重要的指导意义。
下面结合附图对本发明作进一步地详细描述。
图1是系统传输时隙示意图。如图1所示，某段强干扰持续的时间长度为mT，其中T为一个时隙的时间长度，在这段时间内系统无法停止信息和能量同时传输工作，而中继处于能量收集(EH)模式，收集干扰信号的能量。中继收集的干扰能量为：EI＝ηmTPI，其中，PI为干扰功率，η表示能量转换效率。
在本段干扰信号结束后，收集的干扰能量被平均分成n份，分配到下一段干扰信号到来之前的nT时间，即n个通信时隙内，每个时隙分得的能量为：E′I＝η(m/n)PIT＝ηξPIT，其中，ξ＝m/n，表示干扰系数，假设0≤m≤n，则0≤ξ≤1。
每个时隙持续的时间为T，被分割成两部分，αT时间为能量收集(EH)模式，(1-α)T时间为信息解码(ID)模式；其中，α为时隙分割系数，0＜α＜1。
图2是基于时间分割的SWIPT模型示意图。如图2所示，发射机发射的信号x首先到达中继，经过中继放大转发，中继接收到的信号为：其中，h为发射机到中继链路的信道增益；P为发射机的发射功率；nA表示中继的天线噪声，服从均值为0、方差为的圆对称复高斯分布，即中继在一个通信时隙内、且处于能量收集(EH)模式的αT时间内从信号中收集的能量为：EEH＝ηhPαT。所以，中继的转发功率为：联立化简得到：
经过中继放大之后的信号为：
信号被中继放大之后，发送到接收机，接收机接收到的信号为：其中，g为中继到接收机链路的信道增益；nR为接收机的天线噪声，服从均值为0、方差为的圆对称复高斯分布，即
所以，接收信号的信噪比表示为：
由香农公式可以得到系统速率为
采用最优化算法，系统调整时隙分割系数α，使得系统速率R达到最大值的时隙分割系数，称为最优时隙分割系数，记为α*。在最优时隙分割系数情况下得到的最大系统速率，称为最优系统速率，记为R*，其表示式为
当干扰功率和干扰系数发生改变时，系统能够实时动态地获得最优时隙分割系数α*，从而获得在强干扰环境下SWIPT系统的最优系统速率R*。
图3是系统速率随时隙分割系数变化仿真图。信道增益设置为：h＝1，g＝1；干扰系数设置为ξ＝0.1；能量转换效率设置为：η＝1；噪声功率设置为：发射机的发射功率设置为：P＝200；干扰功率设置为：PI＝100。如图3所示，显示了基于时间分割的中继，在收集干扰能量和不收集干扰能量的情况下，系统速率R随时隙分割系数α变化的仿真图。可以看出，收集干扰能量的R-α曲线显然高于不收集干扰能量的R-α曲线，说明收集干扰能量对系统性能的改善是有益的。
图4是最优系统速率随干扰功率变化的仿真图。信道增益设置为：h＝1，g＝1；干扰系数设置为ξ＝0.1；能量转换效率设置为：η＝1；噪声功率设置为：发射机的发射功率设置为：P＝200。如图4所示，显示了基于时间分割的中继，在收集干扰能量和不收集干扰能量的情况下，最优系统速率R*随干扰功率PI变化的仿真图。可以看出，不收集干扰能量的最优系统速率为一个定值，收集干扰能量的R*-PI曲线高于不收集干扰能量的R*-PI曲线，并且，收集干扰能量的最优系统速率随着干扰功率的增大而增大，说明收集干扰能量对系统性能的改善是有益的。
图5是最优系统速率随干扰系数变化的仿真图。信道增益设置为：h＝1，g＝1；能量转换效率设置为：η＝1；噪声功率设置为：发射机的发射功率设置为：P＝200；干扰功率设置为：PI＝100。可以看出，收集干扰能量的R*-ξ曲线高于不收集干扰能量的R*-ξ曲线，并且，收集干扰能量和不收集干扰能量的最优系统速率都随着干扰系数的增大而减小，说明收集干扰能量对系统性能的改善是有益的。
综上所述，本发明涉及了SWIPT系统中无源中继收集干扰能量来提高最优系统速率方法，该发明将有效降低具有无源中继SWIPT系统的最优系统速率受干扰信号影响的程度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，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.SWIPT系统中无源中继收集干扰能量来提高最优系统速率方法，中继的传输方法采用基于时间分割的SWIPT技术，即将时间为T的时隙分割成两部分，αT时间为能量收集(EH)模式，(1-α)T时间为信息解码(ID)模式，其中，α为时隙分割系数；系统在受到强干扰信号而无法正常工作时，中继将持续时间为mT的干扰信号的能量收集并存储，然后将收集的干扰能量平均分配到下次干扰信号到来之前的持续时间为nT的通信过程中；采用最优化算法，系统调整时隙分割系数α，使得系统速率R达到最大值的时隙分割系数，称为最优时隙分割系数，记为α*；在最优时隙分割系数情况下得到的最大系统速率，称为最优系统速率，记为R*，其表达式为
<mrow> <msup> <mi>R</mi> <mo>*</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>*</mo> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&amp;xi;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>h</mi> <mi>g</mi> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>h&amp;alpha;</mi> <mo>*</mo> </msup> <mi>P</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;xi;P</mi> <mi>I</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>g</mi> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>h&amp;alpha;</mi> <mo>*</mo> </msup> <mi>P</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;xi;P</mi> <mi>I</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>*</mo> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mi>P</mi> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，ξ＝m/n为干扰系数，h和g分别为发射机到中继和中继到接收机信道链路的信道增益，η为能量转换效率，P为发射机的发射功率，PI为干扰功率，和分别为中继和接收机接收天线引入的噪声功率。
2.根据权利要求1所述的SWIPT系统中无源中继收集干扰能量来提高最优系统速率方法，最优时隙分割系数α*，其特征在于：中继将收集的干扰能量平均分配到后续的通信过程中，系统根据干扰功率和干扰系数实时动态地获得最优时隙分割系数α*，从而获得在强干扰环境下SWIPT系统的最优系统速率，达到改善系统性能的目的。
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