CN108601042A - 基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法 - Google Patents

基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法。本发明引入具有能量收集功能的SWIPT中继，给出了所提基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法的场景与数学模型。分析了系统中断性能与能效性能。研究了时隙切换因子对SWIPT中断性能和能效的影响。研究表明，高时隙切换因子在满足能效的性能要求时，能得到较低的中断概率。同时分析了源发送功率对SWIPT中断性能和能效的影响，研究表明，源发送功率高，可以得到较低的中断概率，但也会造成能效过低。为兼顾中断性能和能效，不能以最大功率发送信号，而应以‘最优’功率发送信号。本发明有效满足无线携能网络对中断性能与能效折衷的要求，同时实现信息传输与能量收集的权衡。

Description

基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法
技术领域
本发明属于信息与通信工程技术领域，提出了无线携能(Simultaneous WirelessInformation and Power Transfer，SWIPT)网络在节点能量受限情况下，基于时隙切换(Time Switching，TS)的中继接收机辅助的信息与能量传输方法，给出了SWIPT网络中继协作传输的中断概率和能量效率定量分析过程。该方法涉及无线携能网络中断性能(OutagePerformance，OP)与能量效率(Energy Efficiency，EE)折衷方案，主要为SWIPT网络中实现中断性能与能效折衷的基于TS的中继辅助信息与能量传输方法。
背景技术
近年来，不断扩大的信息通信技术(Information and CommunicationTechnology，ICT)产业规模，大量普及的智能移动终端，以及激增的数据流量需求和无处不在的无线接入服务，极大地增加了智能设备的能量消耗。移动设备大多由容量有限的电池供电，而电池容量已成为限制网络使用寿命的瓶颈，因为在过去十几年间电池容量并没有显著性的扩大。为了降低设备能耗，延长网络生存周期，无线信息与能量协同传输技术应运而生。
以往的研究中，无线能量传输(Wireless Power Transfer，WPT)和无线信息传输(Wireless Information Transfer，WIT)侧重各自的研究目标：WPT着眼于最大化能量传输效率，而WIT则希望在对抗信道衰落和噪声中能够最大化信息传输容量。近年来，人们发现射频信号中同时蕴含信息和能量，通过调整设计，统一设计目标，WPT和WIT可以找到折衷点。
无线信息与能量协同传输作为一种新的能量收集技术，节点从周围的射频信号中收集能量并存储，用于后续的无线通信链路传输。该技术弥补了传统能量收集的不足，解决了从自然环境中收集能量(如地热能，风能，振动能，太阳能，潮汐能等)对外界环境依赖性大，不易控制以及无线节点不便配置可靠电源的缺点。
无线携能通信技术使得信号资源得到有效利用，为了满足绿色通信需求，无线携能网络能量效率的研究也得到广泛开展。对于协作中继通信而言，中断概率是协作中继系统的重要性能指标，它能较好地刻画系统利用中继成功进行信息传输的概率(即系统的可靠性)；而对能效的研究则可以刻画系统的能量利用率。
对无线携能通信系统资源的合理分配可以有效提高能量效率，同时满足无线携能系统中各个用户之间资源共享公平性等需求。目前，SWIPT主要有两种接收机结构：时隙切换(Time Switching，TS)接收机和功率分割(Power Splitting，PS)接收机。(1)TS接收机的工作原理是，将接收到的信号从时间上以时隙切换因子分成两部分，其中在一部分时间内输入信号收发机进行信息解码编码，在另一部分时间内输入能量接收机进行能量收集，每个时隙的时隙切换因子由中继能量存储器进行管理。(2)PS接收机的工作原理是，将接收到的信号以功率分割因子分成两部分能量流，其中一部分送往能量接收机，另一部分送往信息接收机。两种SWIPT中继接收机信息与能量的协同传输直接关系到系统性能的优劣，评价系统性能的主要技术指标有：中断概率，能量效率，公平性，传输时延等。
发明内容
本发明目的是针对无线携能网络中在节点能量受限的情况下，中断性能与能量效率需同时优化的问题，提出了基于时隙切换的SWIPT中继TS接收机辅助的信息与能量传输方法，给出了SWIPT网络中继协作传输的中断概率和能量效率定量分析过程，实现中断性能与能效的折衷。
本发明解决问题的技术方案包括以下步骤：
步骤1、无线携能网络中基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输场景假设。
为了不失一般性，在具体描述信息与能量传输方法之前，作出如下假设：
(1)相对于传送信号的功率，源端S1、S2和目的端D电路中信号处理的功率忽略不计。
(2)中继节点R的信息缓存存储空间足够大，储能容量亦足够大。因此不用考虑信息数据与能量的溢出问题。
(3)系统中所有信道均为瑞利平坦衰落。在一次单向传输信息完成的时间间隔T内，信道系数和hrd保持不变且相互独立。
步骤2、无线携能网络中基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输建模。
源端S1和S2分别以功率P1和P2广播信号x1和x2，目的端D和SWIPT中继R都能收到信号x1和x2。目的端D接收到的信息和分别为：
其中，xi(i＝1,2)是单位功率信号；和分别为S1到D和S2到D链路的信道系数；和是均值为0，方差为1的加性高斯白噪声。特别之处，虽不是D接收Si的有用信号，却可以帮助D从R发送的混合信号xR中译码出源信号。
同时，经过R的信息接收机处理，R收到的基带信号yr,i为：
其中，是Si(i＝1,2)到D链路的信道，为R的均值为0，方差为1的加性高斯白噪声。经过R的能量接收机处理，R从Si发送的信号中收集的能量为：
其中，0≤σ≤1为时隙切换因子，0＜η≤1代表能量转换效率，Pi(i＝1,2)为功率；T为双向传输的总时间，m表示Si(i＝1,2)到R的信道大尺度衰落系数；表示Si(i＝1,2)到R的距离；
当Si(i＝1,2)广播完信号x1和x2，R已经从S发送的信号中收集了E1+E2的能量，并将此能量全部用于后续广播阶段的信息发送中。因此，R在广播阶段的发送功率为：
R首先将收到的信号yr,1和yr,2合并成xR，然后以功率Pr进行广播。其中，xR为：
为信号yr,1和yr,2的加权合并系数，选取如下：
其中，0＜θi＜1(i＝1,2)，且θ1+θ2＝1。如此设置可以保证无论θi如何取值，xR总是单位功率信号。
D收到R的广播信号为：
其中，nrd是D处均值为0，方差为1的加性高斯白噪声。由于D可以从(1)式和(2)式中译码出x1(x2)，因此，可以从收到的信号yrd中去除信号x2(x1)。获得去除干扰后的信号为：
步骤3、无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输的中断性能分析。
以S1-D的传输为例分析系统的中断性能。
首先求出源端到目的端的链路互信息，再求解互信息低于目标速率的概率即中断概率。根据(5)式中的Pr，并且采用(7)式中的近似，可以得到信号的信噪比γ1为：
自此，D已收到两份信号x1的副本，通过最大合并比(Maximal Ratio Combining,MRC)技术，D将收到的两份信号副本进行合并。其中，S1到D直接链路的信噪比为因此，S1到D传输的互信息为：
当上式中的互信息低于设定的阈值Rt时会导致中断的发生，中断概率可由下式计算：
根据式(12)，给定目标速率Rt，采用能量收集传输方法的系统中断概率可以用下式表示：
其中，γ(·)为不完全伽马函数，C≈0.5772为欧拉常数，
在上式中，
步骤4、无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输的能效性能分析。
定义能效为发送端单位能量消耗下链路可实现的传输速率或信道容量。
本发明中的能效表达式为：
其中，Ii为Si-R链路的信息传输速率，为Si-R链路的能量消耗。
公式(15)可进一步表示为：
本发明有益效果如下：
本发明对无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输系统性能(中断性能与能效)为优化目标建立优化模型，SWIPT中继通过时隙的合理分配，对传输信息与收集能量进行均衡，使系统性能达到所需要求。
本发明以绿色无线携能网络为研究背景，引入具有能量收集功能的SWIPT中继，给出了所提基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法的场景与数学模型。分析了系统中断性能与能效性能。研究了时隙切换因子对SWIPT中断性能和能效的影响。研究表明，高时隙切换因子在满足能效的性能要求时，能得到较低的中断概率。同时分析了源发送功率对SWIPT中断性能和能效的影响，研究表明，源发送功率高，可以得到较低的中断概率，但也会造成能效过低。为兼顾中断性能和能效，不能以最大功率发送信号，而应以‘最优’功率发送信号。本发明有效满足无线携能网络对中断性能与能效折衷的要求，同时实现信息传输与能量收集的权衡。
附图说明
图1为无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输场景图。
图2为基于时隙切换的SWIPT中继接收机结构。
图3为基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法时隙分配图。
图4为时隙切换因子对无线携能网络中断性能的影响。
图5为源-中继距离对无线携能网络中断性能的影响。
图6为能效与时隙切换因子关系。
图7为能效与源发送功率关系。
具体实施方式
图1为无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输场景图。SWIPT中继具有信息传输与能量收集功能。源节点S1和S2由电源供电，没有电能供应的中继R能量受限，R需要从S1和S2发送的射频信号中接收能量并存储，全部用于后续中继R到目的地节点D的信息传输。在中继R的辅助下，源节点S1和S2向目的地节点D分别发送独立的信号x1和x2。
图2为基于时隙切换的SWIPT中继接收机结构。该接收机由时隙切换器、信息收发机和能量收集器组成。R从Si收到的信号在(1-σ)T/2的时间内被送往能量收集器进行能量收集，在σT/3的时间内被送往信息收发机进行信息译码，其中σ∈[0,1]，每个时隙的时隙切换因子由中继能量存储器进行管理。能量收集器用于收集能量。
图3为基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法时隙分配图。假设完成双向传输的总时间为T，时隙切换因子σ表示信息收集的时间比例，σT表示用于信息传输的时间，平均分成三部分。(1-σ)T为R从源信号xi(i＝1,2)收集能量的总时间，平均分成两部分，(1-σ)T/2的时间用来从x1或x2中收集能量。σT/3的时间用于S1到R的信息传输，σT/3的时间用于S2到R的信息传输，剩余σT/3的时间用于R广播信息给D。在R向D广播信息阶段，R将收到的信息x1和x2进行合并，形成新的信号xR,并利用收集到的能量向D进行广播。
图4给出了在不同源发送功率情况下，时隙切换因子对SWIPT网络中断性能的影响。当给定频带利用率Rt＝1bit/s/Hz，η＝1，归一化距离S1和S2之间的距离归一化为1；信道噪声为高斯白噪声，噪声方差σ2＝10-5；所有指数型随机变量的均值|h|2＝1。由图可知，随着时隙切换因子的增大，用于信息传输的能量提高，链路可达速率提升，因此系统中断概率逐渐下降。在相同的时隙切换因子下，较高的源发送功率可以获得较低的中断概率。
图5给出了源-中继距离对SWIPT网络中断性能的影响。当给定频带利用率Rt＝1bit/s/Hz，η＝1，归一化距离S1和S2之间的距离归一化为1；信道噪声为高斯白噪声，噪声方差σ2＝10-5；所有指数型随机变量的均值|h|2＝1。设时隙切换因子σ＝0.5，当源节点发送功率较低时，随着源与中继之间距离的增加，中断概率缓慢上升。即当中继离源端较近时，采用本发明方法，可得到稳定的低中断概率。当源节点发送功率上升时，源与中继之间距离的增加对系统中断性能的影响则可忽略不计。
图6给出了能效与时隙切换因子的关系。当源发送功率S1＝10dB，给定频带利用率Rt＝1bit/s/Hz，η＝1，归一化距离S1和S2之间的距离归一化为1；信道噪声为高斯白噪声，噪声方差σ2＝10-5；所有指数型随机变量的均值|h|2＝1。假定源-中继距离小于归一化距离1，当近距离传输时，链路可达速率较大，但以损耗较大的能量为代价，所以能效偏低。由图可知，随着时隙切换因子的增大，用于信息传输的能量较大，链路可达速率增大，同时能量消耗的速度降低，因此能效逐渐上升。在相同时隙切换因子下，较高的功率转换效率能得到高能效。
图7给出了能效与源发送功率的关系。当时隙切换因子σ＝0.5，给定频带利用率Rt＝1bit/s/Hz，η＝1，归一化距离S1和S2之间的距离归一化为1；信道噪声为高斯白噪声，噪声方差σ2＝10-5；所有指数型随机变量的均值|h|2＝1。假定源-中继距离小于归一化距离1，当近距离传输时，链路可达速率较大，但以损耗较大的能量为代价，所以能效偏低。由图可知，随着源发送功率的增加，有效提高了链路传输速率，但链路的能量损耗随之增加，故系统能效下降。与图5类似，当源发送功率一定时，高功率转换效率意味着高能效。但在相同的能效指标要求下，高功率转换效率所需较大的源发送功率。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输场景假设；
步骤2、无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输建模；
步骤3、无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输的中断性能分析；
步骤4、无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输的能效性能分析。
2.如权利要求1所述的基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法，其特征在于步骤1所述的无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输场景假设，具体如下：
为了不失一般性，在具体描述信息与能量传输方法之前，作出如下假设：
(1)相对于传送信号的功率，源端S1、S2和目的端D电路中信号处理的功率忽略不计；
(2)中继节点R的信息缓存存储空间足够大，储能容量亦足够大；因此不用考虑信息数据与能量的溢出问题；
(3)系统中所有信道均为瑞利平坦衰落；在一次单向传输信息完成的时间间隔T内，信道系数和hrd保持不变且相互独立。
3.如权利要求2所述的基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法，其特征在于步骤2所述的无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输建模，具体如下：
源端S1和S2分别以功率P1和P2广播信号x1和x2，目的端D和SWIPT中继R都能收到信号x1和x2，目的端D接收到的信息和分别为：
其中，xi(i＝1,2)是单位功率信号；和分别为S1到D和S2到D链路的信道系数；和是均值为0，方差为1的加性高斯白噪声，特别之处，虽不是D接收Si的有用信号，却可以帮助D从R发送的混合信号xR中译码出源信号；
同时，经过R的信息接收机处理，R收到的基带信号yr,i为：
其中，是Si(i＝1,2)到D链路的信道，为R的均值为0，方差为1的加性高斯白噪声，经过R的能量接收机处理，R从Si发送的信号中收集的能量为：
其中，0≤σ≤1为时隙切换因子，0＜η≤1代表能量转换效率，Pi(i＝1,2)为功率；T为双向传输的总时间，m表示Si(i＝1,2)到R的信道大尺度衰落系数；表示Si(i＝1,2)到R的距离；
当Si(i＝1,2)广播完信号x1和x2，R已经从S发送的信号中收集了E1+E2的能量，并将此能量全部用于后续广播阶段的信息发送中，因此，R在广播阶段的发送功率为：
R首先将收到的信号yr,1和yr,2合并成xR，然后以功率Pr进行广播，其中，xR为：
为信号yr,1和yr,2的加权合并系数，选取如下：
其中，0＜θi＜1(i＝1,2)，且θ1+θ2＝1，如此设置可以保证无论θi如何取值，xR总是单位功率信号；
D收到R的广播信号为：
其中，nrd是D处均值为0，方差为1的加性高斯白噪声，由于D可以从(1)式和(2)式中译码出x1(x2)，因此，可以从收到的信号yrd中去除信号x2(x1)，获得去除干扰后的信号为：
4.如权利要求3所述的基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法，其特征在于步骤3所述的无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输的中断性能分析，具体如下：
首先求出源端到目的端的链路互信息，再求解互信息低于目标速率的概率即中断概率，根据(5)式中的Pr，并且采用(7)式中的近似，可以得到信号的信噪比γ1为：
自此，D已收到两份信号x1的副本，通过最大合并比技术，D将收到的两份信号副本进行合并，其中，S1到D直接链路的信噪比为因此，S1到D传输的互信息为：
当上式中的互信息低于设定的阈值Rt时会导致中断的发生，中断概率可由下式计算：
根据式(12)，给定目标速率Rt，采用能量收集传输方法的系统中断概率可以用下式表示：
其中，γ(·)为不完全伽马函数，C≈0.5772为欧拉常数， c＝1；
在上式中，
5.如权利要求4所述的基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法，其特征在于步骤4所述的无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输的能效性能分析，具体如下：
定义能效为发送端单位能量消耗下链路可实现的传输速率或信道容量；
能效表达式为：
其中，Ii为Si-R链路的信息传输速率，为Si-R链路的能量消耗；
进一步表示为：
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