CN110602759B - 一种适用于携能通信系统的最优动态功率分割方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于携能通信系统的最优动态功率分割方法，每个传输帧可划分为两个相等的时隙。在第一个时隙T/2中，信源以功率P_s将信号发送至中继节点和目的节点。在第二个T/2时隙中，中继节点以译码转发的方式转发信号。在第一个时隙中，中继节点利用功率分割器，将接收到的无线信号功率分割为两部分，ρ部分用于能量采集，(1‑ρ)部分用于解码信息。本发明提出的动态功率分割方案中，最优功率分割因子由每个帧中的瞬时信道状态决定。本发明推导了最优动态功率分割因子，及其对应的最优中断概率和遍历容量的表达式。仿真表明，相比于现有动态功率分割方案，所提方案在中断概率性能方面等同于现有方案，但是实现了更高的遍历容量。

Description

一种适用于携能通信系统的最优动态功率分割方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种适用于携能通信系统的最优动态功率分割方法。

背景技术

与非携能通信系统相比，携能通信系统可以明显提高系统性能。无线信息传输的同时对信号进行能量采集是解决中继节点能量续航的潜在方案。在基于能量采集的中继系统中，如何对中继系统的资源进行合理地配置是影响系统性能的关键。

参见文件Ⅰ(T.D.P.Perera,D.N.K.Jayakody,S.K.Sharma,S.Chatzinotas,andJ.Li,“Simultaneous wireless information and power transfer(SWIPT):Recentadvances and future challenges,”IEEE Commun.Surveys Tuts.,vol.20,no.1,pp.264-302,1st Quart.,2018.)、文献Ⅱ(A.A.Nasir,X.Zhou,S.Durrani,and R.A.Kennedy,“Relaying protocols for wireless energy harvesting and informationprocessing,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.12,no.7,pp.3622-3636,Jul.2013.)、文献Ⅲ(A.A.Nasir,X.Zhou,S.Durrani,and R.A.Kennedy,“Throughput and ergodiccapacity of wireless energy harvesting based DF relaying network,”inProc.IEEE ICC,Jun.2014,pp.4066-4071.)、文献Ⅳ(Y.Ye,L.Shi,X.Chu,H.Zhang,andG.Lu,“On the Outage Performance of SWIPT Based Three-step Two-way DF RelayNetworks,”IEEE Trans.on Veh.Technol..doi:10.1109/TVT.2019.2893346)、文献Ⅴ(T.P.Do,I.Song,and Y.H.Kim,“Simultaneous wireless transfer of power andinformation in a decode-and-forward two-way relaying network,”IEEETrans.Wireless Commun.,vol.16,no.3,pp.1579-1592,Mar.2017.)、文献Ⅵ(Z.Ding,S.M.Perlaza,I.Esnaola and H.V.Poor,“Power Allocation Strategies in EnergyHarvesting Wireless Cooperative Networks,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.13,no.2,pp.846-860,February 2014.)。

在文献(Ⅱ、Ⅲ)和文献(Ⅳ-Ⅵ)中，中继节点可以使用功率分割方案和时间分割方案来获取能量，并且采用放大或解码来转发信号。在功率分割方案中，接收功率按比例分成两部分，用来同时收集能量和处理信息。作者研究了单向(文献Ⅱ、Ⅲ)或双向(文献Ⅳ-Ⅵ)网络中的中断概率、遍历容量。通过与时间分割方案相比，发现功率分割方案具有更好的性能。

到目前为止，功率分割方案的设计都是基于统计或瞬时信道状态信息。基于统计信道状态信息的功率分割方案称为固定功率分割方案，即如果统计信道状态信息保持不变，则功率分割因子在所有传输块上是恒定的(文献Ⅱ-Ⅵ)。相反的，基于瞬时信道状态信息的功率分割称为动态功率分割方案，即功率分割因子只在该传输块上是恒定的并且可能在下一个传输块中改变。文献Ⅵ、文献Ⅹ(Y.Ye,Y.Li,F.Zhou,N.Al-Dhahir,and H.Zhang,“Power Splitting-Based SWIPT With Dual-Hop DF Relaying in the Presence of aDirectLink,”IEEE Syst.J.,doi:10.1109/JSYST.2018.2850944.)中的作者提出了一种基于瞬时信道状态信息和目标数据速率来调整每次传输中的参数的动态功率分割方案。如文献Ⅶ(J.N.Laneman,D.N.C.Tse,and G.W.Wornell,“Cooperative diversity in wirelessnetworks:Efficient protocols and outage behavior,”IEEE Trans.Inf.Theory,vol.50,no.12,pp.3062-3080,Dec.2004.)所示，在携能通信系统中，源节点和目的节点之间的直达路径通常可以提供能够增强网络性能的附加分集增益。而在文献(Ⅱ-Ⅵ)中，作者忽略了从源到目的地的直达路径。文献Ⅷ(P.Kumar and K.Dhaka,“Performance Analysisof Wireless Powered DF Relay System Under Nakagami-m Fading,”IEEETrans.Veh.Technol.,vol.67,no.8,pp.7073-7085,Aug.2018.)中的作者分析了在Nakagami-m衰落信道中有或没有直达路径的基于时间分割的单向解码转发网络的平均误码率。文献Ⅸ(H.Lee,C.Song,S.H.Choi,and I.Lee,“Outage probability analysis andpower splitter designs for SWIPT relaying systems with direct link,”IEEECommun.Lett.,vol.21,no.3,pp.648-651,Mar.2017.)、文件Ⅹ中的作者研究了具有直达路径的基于单向功率分割的同步无线信息和功率传输网络的中断概率。在文献Ⅸ中，中继采用固定功率分割方案和放大转发协议，在文献Ⅹ中，中继分别采用动态功率分割方案和解码转发协议。文献Ⅺ(M.Ashraf,et al.,“Capacity Maximizing Adaptive PowerSplitting Protocol for Cooperative Energy Harvesting Communication Systems,”IEEE Commun.Lett.,vol.22,no.5,pp.902-905,May 2018.)中的作者提出了一种新颖的动态功率分割方案，其中由中继调整功率分割因子，旨在最大化端到端信噪比。如文献Ⅺ中所述，基于解码转发的同步无线信息和功率传输网络的现有动态功率分割方案能够最小化中断概率。但是，作者没有考虑直达路径的影响。因此，对于具有直达路径的传输网络，本发明提出了一种基于解码转发的适用于携能通信系统的动态功率分割方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于携能通信系统的最优动态功率分割方法，中继节点通过瞬时信道状态信息来确定最优动态功率分割因子，从而降低系统中断概率，增大系统的遍历容量。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种基于解码转发的携能通信系统的最优动态功率分割方法，包括以下步骤：

1、信号s(t)在第一时隙T/2中(T表示时隙的持续时间)以额定发送功率P_s被源节点同时发送至中继节点和目的节点，中继节点利用功率分割器将接收到的信号分为两部分，ρ部分的信号用于能量采集，(1-ρ)部分的信号用于信息传输(其中，0≤ρ≤1，代表由瞬时信道状态信息确定的动态功率分割因子，具体将在下面详述)。第一时隙中继节点R和目的节点D处接收的用于解码信息的接收信号可以写为

n_r(t)和n_d(t)分别表示接收的加性高斯白噪声，它们的均值为零，方差分别为

为了方便计算，假设

2、第一时隙中，根据在中继节点以及目的节点接收到的信号，计算出中继节点的信噪比γ_r＝(1-ρ)γ_in|h₁|²以及目的节点处直达路径的信噪比γ_sd＝γ_in|h₀|²，其中

代表源节点S的发射信噪比。那么，中继节点R收集的能量为

其中0＜η＜1，为能量转换效率；

3、目的节点D在第二时隙

中接收到来自中继解码转发后的信号表示为

根据此可以计算出目的节点第二时隙内接收的信噪比γ_rd＝ηργ_in|h₁|²|h₂|²；

4、根据最大比合并，目的节点D处可达到的数据速率为

基于瞬时信道状态信息和目标数据速率调整每次传输中的动态功率分割因子，可以最优化系统性能；

5、解决目的节点D处的最大可实现速率的问题等价于使得目的节点处的接收信噪比最大化，可通过调整每次传输时的动态功率分割因子实现接收信噪比的最大化：

γ_op＝max min(γ_r,γ_d)

s.t.0≤ρ≤1

其中γ_d＝γ_sd+γ_rd，代表目的节点接收的来自中继链路与直达链路的总信噪比；

6、对于步骤5所述的数学问题求解，得到最优的动态功率分割因子ρ^*的最优值。

本发明相对于现有技术具有如下的优点以及效果：

1、本发明考虑的中继节点在能量采集与信息接收两个模块之间采用动态功率分割的方法，对各中继节点的能量采集与信息接收之间的功率分割系数以及该节点的发送功率进行优化，有效提升系统的中断性能、增加系统的遍历容量

2、本发明考虑的是在解码转发模式下存在直达路径的三节点系统模型，在携能通信系统中，源节点和目的节点之间的直达路径通常可以提供增强网络性能的附加分集增益，有效地提高系统的性能。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明公开的携能通信系统的最优动态功率分割方法的系统模型示意图；

图2是本发明公开的携能通信系统的最优动态功率分割方法的功率分割示意图。

图3是本发明公开的携能通信系统的最优动态功率分割方法的中断概率与已存在进行比较的仿真图。

图4是本发明公开的携能通信系统的最优动态功率分割方法的遍历容量与已存在进行比较的仿真图。

具体实施方式

本发明公开的携能通信系统的最优动态功率分割方法的系统模型见图1，采用的功率分割方法见图2。中断概率仿真对比图见图3，遍历容量仿真对比图见图4.

本实施例中，具体参数设置如下：

设定本发明中解码转发模式下携能通信系统模型由1个源节点，1个目的节点和1个中继节点组成，分别记作S，D和R。源节点S发送的功率设定为P_s。h₀，h₁，h₂分别代表了源节点S到目的节点D，源节点S到中继节点R，以及中继节点R到目的节点D的信道系数。信道被建模为准静态，这意味着信道在每个传输帧中保持恒定，但可以在不同的传输帧中变化。假设信道增益|h₀|²，|h₁|²和|h₂|²服从瑞利分布，它们的均值分别为

和

假设所有节点都配备有单个天线，并且可以通过信道估计获得瞬时信道状态信息。n_r(t)和n_d(t)分别表示接收的加性高斯白噪声，都包括由接收天线引入的加性高斯白噪声和由射频频带到基带的转换产生的加性高斯白噪声，它们的均值为零，方差分别为

为了方便计算，假设

η＝0.5为能量转换效率。

应用本发明所述的携能通信系统的最优动态功率分割方法，具体包括以下顺序的步骤：

1、信号s(t)在第一时隙T/2中(T表示时隙的持续时间)以额定发送功率P_s被同时发送至中继节点和目的节点，中继节点利用功率分割将接收到的信号分为两部分，ρ部分的信号用于能量采集，(1-ρ)部分的信号用于信息传输(0≤ρ≤1，由瞬时信道状态信息确定的动态功率分割因子，具体将在下面详述)。第一时隙用于处理中继节点R和目的节点D处的信息的接收信号可以写为

s(t)代表源节点发送的具有单位能量的信号。

2、根据在中继节点以及目的节点接收到的信号，可以计算出中继节点的信噪比γ_r＝(1-ρ)γ_in|h₁|²以及目的节点的信噪比γ_sd＝γ_in|h₀|²，其中

代表源节点S的发射信噪比。那么，中继节点R收集的能量为

γ_sd代表直达路径在目的节点处的信噪比；

3、目的节点D在第二时隙

中根据解码转发协议转发至目的节点D，接收到的信号为

根据接收到的信号，可以计算出此时接收信噪比为γ_rd＝ηργ_in|h₁|²|h₂|²；

4、根据最大比合并，目的节点D处可达到的数据速率为

5、将步骤4所述的求解目的节点D处的最大可实现速率的问题可转化为求解信噪比最大，对于所述的携能通信系统的动态功率分割方法就转化为如下数学问题的求解；

γ_op＝max min(γ_r,γ_d) (5)

s.t.0≤ρ≤1

其中γ_d＝γ_sd+γ_rd，代表系统的信噪比；

γ_d代表整个传输帧内目的节点接收到的总信噪比，γ_sd代表直达路径在目的节点处的信噪比，γ_rd为中继链路在目的节点处的信噪比，γ_op代表目的节点所能接收到的最大信噪比；

6、引理1：最优功率分割因子ρ可以表示为

证明：γ_r、γ_d分别是关于动态功率分割因子ρ的减函数和增函数。当|h₁|²＜|h₀|²时，γ_r的曲线相对于γ_d的曲线没有交点，当ρ^*＝0时，目的节点D的最佳接收信噪比可以达到最优，为

当|h₁|²≥|h₀|²时，目的节点D的最佳接收信噪比当γ_r＝γ_d时取得。此时，可求得最佳的动态功率分割因子的值

将得到的ρ^*带入到(5)中，得到相应的最大的信噪比

注意：由于基于动态功率分割的中继由来自源的射频信号提供能量，所以这种中继的发射功率可以等于零。当|h₁|²＜|h₀|²时，得到ρ^*＝0和γ_rd＝ηρ^*γ_in|h₁|²|h₂|²＝0。可达速率

小于直连路径的可实现速率

在这种情况下，就相当于非携能通信系统，且

7、系统的中断概率可以根据

P_out＝P(γ_op＜γ_th)＝P₁+P₂ (7)

计算。其中

为门限信噪比，

和

γ_th代表满足目标速率的门限信噪比。我们定义X＝|h₀|²，Y＝|h₁|²和Z＝|h₂|²，因此它们的概率密度函数分别为

和

所以P₁表示为

其中

而P₂可以表示为

由于X>0，Y>0，Z>0，以及X≤Y，P₂可以进一步被表示为

在(10)中第一项的P₂₁可以表示为

第二项P₂₂为

其中

令u＝y-a，则P₂₂₂可以写成

通过查询积分手册，可利用积分

得到(13)。

K₁(·)是第二类一阶修正贝塞尔函数。在高信噪比的情况下时，a→0，且当θ→0时，可进行等价无穷小替换

在(15)中

在(15)中，为了获得闭合形式的结果，可以使用高斯—切比雪夫求积法来近似积分

其中

c_i＝f_i+1。N是权衡复杂性和准确性的参数。将(8)-(16)代入(7)，得到所提出模型的中断概率解析表达式。

8、所提出的模型的分级阶数可以由下式计算

9、根据(6)中最优功率分割因子ρ^*＝0和

本发明所提出的模型的最优遍历容量可以表示为

C＝C₁+C₂， (17)

C₁和C₂分别对应于最优因子ρ^*＝0和

其中通过使用积分

和

可以计算出表达式(20)。对于表达式(20)，首先进行变量替换，令y＝tanθ，再对其进行高斯切比雪夫近似，得到表达式(21)。在(21)中

M是权衡复杂性和准确性的参数。

其中步骤(b1)对变量x进行高斯—切比雪夫积分，然后进行变量代换，令y＝tanθ，z＝tanθ。之后，步骤(b2)和(b3)使用关于变量y和z的高斯-切比雪夫积分。最终得到C₂的近似解。

其中

N₁，N₂和N₃是权衡复杂性和准确性的参数。10、对计算结果进行数值仿真。如图3所示，近似解和精确解都与提议方案的数值仿真结果很好的拟合。所提出的动态功率分割方案的中断概率小于没有直达路径的现有动态功率分割方案和具有直达路径的随机方案的中断概率，并且与非携能通信方案相比，直达路径确实提高了所提出的基于解码转发的携能通信系统的性能。

在文献(Ⅵ、Ⅹ)中的现有动态功率分割方案中，基于系统的目标数据速率和瞬时信道状态信息来选择动态功率分割因子，并且可以将其写为

如果文献(Ⅵ、Ⅹ)中所选择的动态功率分割因子不能支持目标速率，则没有其他动态功率分割因子可以在所提议的动态功率分割方案中以目标速率完成传输。因此，两种方案在中断概率方面具有相同的性能，如图3所示。

如图4所示，所提出的动态功率分割方案可以最大化目的地处的接收信噪比并利用直达路径，因此与其他现有方案相比，所提出的方案具有最高的遍历容量。

本发明是一种新型动态功率分割方案，用于具有直达路径的携能通信系统的动态功率分割方法。中继节点采用由瞬时信道状态信息确定的最优动态功率分割因子来获取能量和处理信息。本发明推导了所提出的网络的最优动态功率分割因子、中断概率及遍历容量的表达式。仿真表明，该方案在中断概率方面优于现有功率分割方案，与现有功率分割方案相比，实现了更高的遍历容量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于携能通信系统的最优动态功率分割方法，其特征在于：所述的功率分割方法：

信号s(t)在第一时隙T/2中被源节点以额定发送功率P_s同时发送至中继节点和目的节点，中继节点利用功率分割器将接收到的信号分为两部分，ρ部分的信号用于能量采集，(1-ρ)部分的信号用于信息传输；

T表示时隙的持续时间，

0≤ρ≤1，ρ是由瞬时信道状态信息确定的动态功率分割因子；

第一时隙用于处理中继节点R和目的节点D处的信息的接收信号，可以写为

n_r(t)和n_d(t)分别表示接收的加性高斯白噪声，它们的均值为零，方差分别为

为了方便计算，假设

第一个时隙中，根据在中继节点以及目的节点接收到的信号，计算出中继节点的信噪比γ_r＝(1-ρ)γ_in|h₁|²以及目的节点的信噪比γ_sd＝γ_in|h₀|²，其中

代表源节点S的发射信噪比；

目的节点D在第二时隙

中的接收的中继链路信噪比为 γ_rd＝ηργ_in|h₁|²|h₂|²；根据最大比合并，目的节点D处可达到的数据速率为

s(t)代表源节点发送的具有单位能量的信号；

h₀，h₁，h₂分别代表了源节点S到目的节点D，源节点S到中继节点R，以及中继节点R到目的节点D的信道系数；

其中0＜η＜1，为能量转换效率；

γ_d代表目的节点接收到的信噪比，γ_sd代表直达路径在目的节点处的信噪比，γ_rd代表中继链路在目的节点处的信噪比；

所述的功率分割方法还包括以下步骤：

对数学问题求解，得到最优的动态功率分割因子ρ^*：

解决目的节点D处的最大可实现速率的问题等同于最大化目的节点处的接收信噪比，可通过合理设置动态功率分割因子使目的节点处的接收信噪比最大化：

γ_op＝max min(γ_r,γ_d)

s.t.0≤ρ≤1

其中γ_d＝γ_sd+γ_rd，代表目的节点接收的来自中继链路与直达链路的总信噪比。

2.根据权利要求1所述的适用于携能通信系统的最优动态功率分割方法，其特征在于：还包括以下步骤：

对得出的系统最大化信噪比通过P_out＝P(γ_op＜γ_th)，以及

分别求解出系统的中断概率和遍历容量；

γ_op代表目的节点所能接收到的最大信噪比，γ_th代表满足目标速率的门限信噪比。

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