CN109348500B - 一种硬件损伤条件下满足双向swipt中继系统的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够减轻硬件损伤的满足双向SWIPT系统在考虑实际硬件损伤条件下的资源分配方法，包括以下步骤，S1：构建信号传输模型；S2：构建优化公式；S3：依据硬件损伤下传输性能的上界值，采用基于松弛上界的低复杂度优化方法获取系统的时间分配值；S4：依据时间分配值获取功率分割比的闭式解。本发明的有益效果是,采用本发明的方法减轻了硬件损伤的影响,得到的性能曲线是理论曲线的近似解。

Description

一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配 方法

技术领域

本发明涉及通信系统技术领域，具体涉及一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法。

背景技术

由于相位噪声、I/Q不平衡性、非线性高功率放大等影响，实际中的设备往往遭受许多的硬件损伤，这些硬件损伤会导致信号扭曲变形、信号星座图失真，从而降低系统的传输性能。当分析系统性能的时候，传统分析方法通常预设硬件设计为不遭受硬件损伤的理想物理器件，或将这些损伤带来的影响考虑成接收机的一部分额外噪声，然而实际中的硬件损伤所带来的信号失真受收发功率影响，不能简单的作为白噪声处理，并且目前的技术手段还未能完全消除硬件损伤带来的影响，因此有必要针对硬件损伤影响下的传输设计展开研究。

无线信息能量同传(Simultaneous Wireless Information and PowerTransfer,SWIPT)是符合未来能量受限网络传输设计的一项重要传输技术。该技术通过对同一射频信息进行能量收集和信息处理，使得能为无线系统同时提供可控、有效的能量传输和信息传输，并且不需要对传输和接收机进行大程度的硬件改动。目前，该技术在双向中继传输网络中的应用研究已获得大量研究者的关注，但是大部分研究考虑理想硬件情况，还未有人针对实际硬件损伤下的双向SWIPT传输性能展开研究。同时，考虑到硬件损伤下系统的传输性能会受到遏制，依靠传输射频信息供能的SWIPT系统沿用传统的考虑理想硬件状态的传输设计和资源分配方式会造成明显的性能损伤。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法，所述中继系统包含两个源节点S₁、S₂，和一个配置PS能量收集接收机的中继R，包括以下步骤：

S1：构建信号传输模型，所述信号传输模型包括第一阶段传输模型和第二阶段传输模型，

第一阶段传输模型包括，源节点S₁、S₂同时传输自身信息给中继R，中继接收到信息后，采用PS能量收集方案，将接收到的信息分为两部分，一部分用于能量收集，另一部分用于信息处理，

第二阶段传输模型包括，中继依据收集到的能量将经解码处理后的信息广播给源节点S₁、S₂；

S2：构建优化公式；

S3：依据硬件损伤下传输性能的上界值，采用基于松弛上界的低复杂度优化方法获取系统的时间分配值；

S4：依据时间分配值获取功率分割比的闭式解。

进一步的，所述信号传输模型，包括，

其中x_i为源节点S_i,i＝1,2未经硬件损伤的原始传输信息，E{|x_i|²}＝P_i，为信源的发送功率，

为S_i的传输硬件损伤引入的失真噪声，

表示信源S_i的传输硬件损伤幅度，信息通过无线信道进行传输，接收端S_j收到的信号为

其中，

为接收端S_j的接收硬件损伤引入的失真噪声，

为接收端S_j的接收硬件损伤幅度，P_rec＝E{|hx_i|²}＝|h|²P_i，为接收到的信号功率。

进一步的，所述第一阶段传输模型包括，两个源节点同时传输信息给中继，中继接收到的信息为：

y_R＝h₁(x₁+τ_tx,1)+h₂(x₂+τ_tx,2)+τ_rx,r+n_r

其中，τ_tx,i为源端S_i发射机引入的硬件损伤噪声，τ_rx,r为中继R接收机硬件损伤引入的失真噪声；

所述第二阶段传输模型包括，中继依据PS能量收集将收集到的一部分信息转换为能量，另一部分信息进行信号处理，然后用收集到的能量广播经信息处理后的信息，此时，源节点S_i,i＝1,2收到的信息为：

其中，τ_tx,r为中继R发送机硬件损伤引入的失真噪声，τ_rx,i为源节点S_i接收机硬件损伤引入的失真噪声。

进一步的，还包括以下步骤，

归一化双向传输的持续时间为1，

采用以下公式获取中继处收集的能量，

其中，t为第一传输阶段持续时间。

进一步的，所述构建优化公式包括，

s.t.C1:P_R≤E/(1-t)

C2:P_R≤P₀

C3:0<t＜1

C4:0<ρ＜1

其中，R_sum＝R₁₂+R₂₁，

R₁₂＝R₂₁≤min(t·C(Υ_1r),(1-t)·C(Υ_r2),t·C(Υ_2r),(1-t)·C(Υ_r1))，

R₁₂+R₂₁≤t·C(Υ_ma)，Υ_ir、Υ_ri、Υ_ma分别为用户i-r、用户r-i以及第一阶段多址传输过程中遭受的失真信噪比，C1为中继发送功率的能量因果关系限制，C2为中继的最大传输功率限制，C3和C4分别为时间分配和功率分割比值的允许取值范围。

进一步的，所述依据硬件损伤下传输性能的上界值，采用基于松弛上界的低复杂度优化方法获取系统的时间分配值包括，

采用以下公式获取失真信噪比，

采用以下公式获取第一跳传输的可达速率

g₁(t,ρ)＝t·min(2C(Υ_1r),2C(Υ_2r),C(Υ_ma))：

采用以下公式获取第二跳传输的可达速率

g₂(t,ρ)＝(1-t)·min(2C(Υ_r1),2C(Υ_r2))，

g₂(t,ρ)满足：

进一步的，所述依据硬件损伤下传输性能的上界值，采用基于松弛上界的低复杂度优化方法获取系统的时间分配值包括，

采用放缩法求g₁(t,ρ)和g₂(t,ρ)获取达到各自的松弛上界值时的t和ρ，获取放缩后的优化公式：

s.t.t≤T₁,t≤T₂

其中，

采用以下公式获取时间分配值t^up：

进一步的，所述依据时间分配值获取功率分割比的闭式解采用以下公式,

ρ^*＝min(ρ_ij,ρ_mj),i,j＝1,2，

其中ρ_ij,i,j＝1,2为t^up·C(Υ_ir)和(1-t^up)·C(Υ″_rj)的交点，ρ_mj,j＝1,2为t^up·C(Υ_mac)和(1-t^up)·2C(Υ″_rj)的交点。

本发明的有益效果是：

本发明在进行传输模型建模时，充分考虑了实际中不可避免的硬件损伤问题，结合现有硬件损伤信号传输模型，构建了双向中继网络中的信息能量同传模型；然后在性能优化上，以满足传输公平性的最大化系统可达传输总速率为优化目标，联合优化了时间分配和功率分割比分配参数；在优化设计中，依据了硬件损伤系统特有的性能饱和性，设计了一种低复杂度的基于松弛上界的优化求解方法，采用本发明的方法减轻了硬件损伤的影响，得到的性能曲线是理论曲线的近似解。

附图说明

图1本发明一实施例硬件损伤下的能量收集双向中继传输和信号传输模型示意图；

图2本发明一实施例流程示意图；

图3本发明一实施例与理论仿真数据的仿真对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步阐述说明。

术语解释：

SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer)：无线信息能量同传。

PS(Power Splitting)：功率分割。

DF(Decode and Forward)：解码转发。

本发明一实施例选择半双工双向SWIPT中继网络为实施对象，它包含两个源节点S₁、S₂，和一个配置PS能量收集接收机的中继R。预设整个系统由于阴影衰落和传输阻挡等因素，直传链路无法使用，通信仅依赖于中继协助进行信息交换。同时，传输过程中每个节点均考虑了由于硬件损伤而引入的失真噪声。系统的传输和信号传输模型如图1所示。

该模型中的信号传输模型给出硬件损伤下的信号传输模型如下：预设信源S_i未经硬件损伤的原始传输信息为x_i，则经硬件损伤影响后的传输信息变为：

其中，E{|x_i|²}＝P_i为信源的发送功率，

为S_i的传输硬件损伤引入的失真噪声，

表示信源S_i的传输硬件损伤幅度。

信息通过无线信道进行传输，接收端S_j收到的信号为：

其中，

为接收端S_j的接收硬件损伤引入的失真噪声，

为接收端S_j的接收硬件损伤幅度，P_rec＝E{|hx_i|²}＝|h|²P_i为接收到的信号功率。

整个系统传输分为两个阶段，第一阶段源节点S₁、S₂同时传输自身信息给中继R，中继接收到信息后，采用PS能量收集方案，将接收到的信息分为两部分，一部分用于能量收集，另一部分用于信息处理。因此，第一传输阶段的接收信号为：

y_R＝h₁(_x1+τ_tx,1)+h₂(x₂+τ_tx,2)+τ_rx,r+n_r (3)

其中，x_i,i＝1,2为S_i需要传输的未经硬件损伤的原始信息，E{|x_i|²}＝P_i,i＝1,2为源端S_i的发送功率，

为源端S_i发射机引入的硬件损伤噪声，

为源端S_i发送机的硬件损伤幅度，

为中继R接收机硬件损伤引入的失真噪声，

为中继接收机的硬件损伤幅度，h_i为S_i和R之间的信道状态信息，n_r＝n_r,a+n_r,b，

为中继处的高斯白噪声，具体地说，

为接收天线引入的噪声，

为信号经历带通转换基带过程中遭受的噪声。本发明一实施例中，

远远小于

为计算简便，该实施例中忽略n_r,a带来的影响。

不失一般性，本发明一实施例预设该系统中所有节点的硬件损伤幅度相同，即

其中i,j＝1,2,r分别代表源节点S₁、源节点S₂和中继R。

本发明一实施例中继考虑采用PS方式进行能量收集，接收到的信号分为两部分，其中

传入能量收集器用于能量收集，

传入信息处理器用于信息解码。本发明一实施例注意到收发机硬件损伤引入的失真噪声大都产生于基带到射频的转换处理之间，因此可认为接收机处的硬件损伤失真噪声产生于能量收集处理后，无助于能量收集，同时n_r,b也发生在能量收集处理之后，无助于能量收集。本发明一实施例归一化双向传输的持续时间为1，并预设第一传输阶段持续时间为t，量化中继处收集的能量为：

其中，0≤η≤1为能量转换效率。由于在3GPPLTE中，发送机和接收机的硬件损伤幅度κ₁、κ₂的取值范围为κ_i,j,i＝1,2∈[0.08,0.175]，同时，本发明一实施例预设噪声功率远小于信号功率，因此，硬件损伤失真噪声和高斯白噪声引入的能量收集均远远小于有用信息部分引入的能量收集。为方便计算，本发明一实施例忽略掉硬件损伤和噪声引入的能量收集，公式(4)可以改写为：E＝ηρ(|h₁|²P₁+|h₂|²P₂)·t。

传入信号处理器用于信息处理(Information Processing,IP)的信息为：

第二阶段，中继可采用物理层网络编码将传入信号处理器的接收信息y_IP解码映射为一个编码信息包

然后，再采用收集到的能量将编码信息包广播给源节点。则源节点S_i,i＝1,2收到的信息为：

y_Si＝h_i(x_R+τ_tx,r)+τ_rx,r+n_i

＝h_ix_R+h_iτ_tx,r+τ_rx,r+n_i (6)

其中，E{|x_R|²}＝P_R，P_R为中继处的发送功率，由于能量因果关系它满足

为中继R发送机硬件损伤引入的失真噪声，

为源节点S_i接收机硬件损伤引入的失真噪声，

为源节点S_i处的高斯白噪声。

S_i收到信息后，先解码出x_R，然后再依据自身的信息进行自干扰消除(SelfCancellation)，从而得到需要的用户信息。例如S₁解码x₂：

结合公式(5)、(6)，可以计算出该双向中继传输模型下的可达传输速率域为：

其中，C(x)＝log₂(1+x)，Υ_ir,i＝1,2为S_i到中继源节点R的失真信噪比，Υ_ma为多址传输的失真信噪比，Υ_ri分别为中继到S_i的失真信噪比：

同时，

本发明一实施例考虑传输公平性的最大可达传输总速率为目标函数对系统的传输性能限进行设计。由于考虑了传输公平性，系统的端到端传输速率满足：

R₁₂＝R₂₁≤min(t·C(Υ_1r),(1-t)·C(Υ_r2),t·C(Υ_2r),(1-t)·C(Υ_r1)) (9)

进一步，考虑到系统的可达传输总速率受端到端传输速率总和以及多址传输速率限制，因此，此模型下的可达传输总速率为：

考虑中继传输功率限制以及能量因果性限制，构建一个满足速率公平性下最大化可达传输总速率的联合优化公式：

其中，C1为中继发送功率的能量因果关系限制，C2为中继的最大传输功率限制，C3和C4分别为时间分配和功率分割比值的允许取值范围。

将P_R＝E/(1-t)代入R_sum，OP1可改写为：

其中，

依据硬件损伤下传输性能的上界值，本发明一实施例设计了一种基于松弛上界的低复杂度次优求解算法求解该优化公式。当失真信噪比为失真噪声主导环境时，即失真噪声远大于传输引入的高斯白噪声，此时，失真信噪比趋近于一个稳定值。

根据上述性质，本发明一实施例可以得到第一跳传输的可达速率g₁(t,ρ)＝t·min(2C(Υ_1r),2C(Υ_2r),C(Υ_ma))小于一个松弛上界：

得到第二跳传输的可达速率g₂(t,ρ)＝(1-t)·min(2C(Υ_r1),2C(Υ_r2))小于一个松弛上界：

同时，由于中继传输功率限制的影响，g₂(t,ρ)还需满足：

已知，中继传输在第一跳传输的信息能完全被第二跳传输转发时达到最优，即，g₁(t,ρ)≤g₂(t,ρ)。

根据上述结论，本发明一实施例采用放缩法求g₁(t,ρ)和g₂(t,ρ)取其各自的上界值时的t和ρ，得到放缩后的优化公式为：

其中，

本发明一实施例R_sum是一个关于t的单调递增函数，关于ρ的单调递减函数，并且随着ρ的递减t的可达上界值递增。本发明一实施例R_sum在ρ趋近于0时取得最大，此时得到t的一个上界值为：

接下来，本发明一实施例将t^up代入原优化公式OP2，求解最优功率分割比。代入t^up的优化公式改写为：

其中，

本发明一实施例中，当代入t^up后，OP2的限制条件C3'一定满足，因此OP3省略了此限制条件。

分析可知，g₁″(ρ)中的元素均是关于ρ的单调递减函数，g₂″(ρ)中的元素均是关于ρ的单调递增函数。因此，最优传输在g₁″(ρ)＝g₂″(ρ)时获得。令ρ_ij,i,j＝1,2为t^up·C(Υ_ir)和(1-t^up)·C(Υ″_rj)的交点，ρ_mj,j＝1,2为t^up·C(Υ_mac)和(1-t^up)·2C(Υ″_rj)的交点，则最优功分比值为：

ρ^*＝min(ρ_ij,ρ_mj),i,j＝1,2 (23)

因此，本发明仅需要计算t^up，以及代入t＝t^up后的交点值ρ_ij、ρ_mj，因此大大减小了计算复杂度。

图3示出了硬件损伤情况下，改变源端发送功率情况下，不同传输方案的本发明一实施例可达传输总速率比较图，仿真过程中信道增益设置为

每次仿真的信道实现为10³次，其中g_i～CN(0,1)为瑞利衰落参数，d_i∈(0,10)米为源节点S_i和中继R之间的传输距离，且(d₁,d₂)＝(2,8)米，信道衰落系数给定为m＝2.7，噪声功率给定为σ²＝10^-6W，源端发送功率设置为P₁＝P₂＝P_tdBm，硬件损伤幅度设置为κ₁＝κ₂＝κ_ave，硬件损伤幅度设置为κ_ave＝0.15，中继传输功率限制P₀＝0.01W。由图可知，随着源端发送功率P_t的增加，所有方案的可达传输总速率均不断增加并趋近于各自的饱和值。这是因为硬件损伤引入的失真噪声会遏制传输性能的持续增加。本发明设计的基于松弛上界的次优求解方案的性能优于所给出的三种对比方案，此外，本发明的性能趋近于采用交替优化算法求解得到的传输性能。因此，本发明所设计的次优求解方法在硬件损伤系统中可以实现所需要的最优传输性能。

Claims (4)

1.一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法，所述中继系统包含两个源节点S₁、S₂，和一个配置PS能量收集接收机的中继R，其特征在于，包括以下步骤：

S1：构建信号传输模型，所述信号传输模型包括第一阶段传输模型和第二阶段传输模型，

第一阶段传输模型包括，源节点S₁、S₂同时传输自身信息给中继R，中继接收到信息后，采用PS能量收集方案，将接收到的信息分为两部分，一部分用于能量收集，另一部分用于信息处理，

第二阶段传输模型包括，中继依据收集到的能量将经解码处理后的信息广播给源节点S₁、S₂；

S2：构建优化公式，所述构建优化公式包括，

OP1:

s.t.C1:P_R≤E/(1-t)

C2:P_R≤P₀

C3:0<t＜1

C4:0<ρ＜1

其中，R_sum＝R₁₂+R₂₁，R₁₂＝R₂₁≤min(t·C(Υ_1r),(1-t)·C(Υ_r2),t·C(Υ_2r),(1-t)·C(Υ_r1))，R₁₂+R₂₁≤t·C(Υ_ma)，Υ_ir、Υ_ri、Υ_ma分别为用户i-r、用户r-i以及第一阶段多址传输过程中遭受的失真信噪比，C1为中继发送功率的能量因果关系限制，C2为中继的最大传输功率限制，C3和C4分别为时间分配和功率分割比值的允许取值范围；

S3：依据硬件损伤下传输性能的上界值，采用基于松弛上界的低复杂度优化方法获取系统的时间分配值，包括，采用以下公式获取失真信噪比，

采用以下公式获取第一跳传输的可达速率

g₁(t,ρ)＝t·min(2C(Υ_1r),2C(Υ_2r),C(Υ_ma))：

采用以下公式获取第二跳传输的可达速率g₂(t,ρ)＝(1-t)·min(2C(Υ_r1),2C(Υ_r2))，

g₂(t,ρ)满足：

采用放缩法求g₁(t,ρ)和g₂(t,ρ)获取达到各自的松弛上界值时的t和ρ，获取放缩后的优化公式：

s.t.t≤T₁,t≤T₂

其中，

采用以下公式获取时间分配值t^up：

S4：依据时间分配值获取功率分割比的闭式解，所述闭式解采用以下公式获得,ρ^*＝min(ρ_ij,ρ_mj),i,j＝1,2，

其中ρ_ij,i,j＝1,2为t^up·C(Υ_ir)和(1-t^up)·C(Υ′_rj′)的交点，ρ_mj,j＝1,2为t^up·C(Υ_mac)和(1-t^up)·2C(Υ′_rj′)的交点。

2.如权利要求1所述的一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法，其特征在于，

所述信号传输模型，包括，

其中x_i为源节点S_i,i＝1,2未经硬件损伤的原始传输信息，E{|x_i|²}＝P_i，为信源的发送功率，

为S_i的传输硬件损伤引入的失真噪声，

表示信源S_i的传输硬件损伤幅度，信息通过无线信道进行传输，接收端S_j收到的信号为

其中，

为接收端S_j的接收硬件损伤引入的失真噪声，

为接收端S_j的接收硬件损伤幅度，P_rec＝E{|hx_i|²}＝|h|²P_i，为接收到的信号功率。

3.如权利要求1所述的一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法，其特征在于，

所述第一阶段传输模型包括，两个源节点同时传输信息给中继，中继接收到的信息为：

y_R＝h₁(x₁+τ_tx,1)+h₂(x₂+τ_tx,2)+τ_rx,r+n_r

其中，τ_tx,i为源端S_i发射机引入的硬件损伤噪声，τ_rx,r为中继R接收机硬件损伤引入的失真噪声；

所述第二阶段传输模型包括，中继依据PS能量收集将收集到的一部分信息转换为能量，另一部分信息进行信号处理，然后用收集到的能量广播经信息处理后的信息，此时，源节点S_i,i＝1,2收到的信息为：

y_Si＝h_i(x_R+τ_tx,r)+τ_rx,r+n_i

＝h_ix_R+h_iτ_tx,r+τ_rx,r+n_i，

其中，τ_tx,r为中继R发送机硬件损伤引入的失真噪声，τ_rx,i为源节点S_i接收机硬件损伤引入的失真噪声。

4.如权利要求1所述的一种硬件损伤条件下满足双向SWIPT中继系统的资源分配方法，其特征在于，还包括以下步骤，

归一化双向传输的持续时间为1，

采用以下公式获取中继处收集的能量，

其中，t为第一传输阶段持续时间。

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