无线通信系统中无线携能通信技术的性能研究

郭 晶， 卢 锦

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)



无线通信系统中无线携能通信技术的性能研究

郭 晶， 卢 锦

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

能量受限是无线传感器网络应用中存在的瓶颈问题之一，为了使无线传感器网络获得稳定持续的能量来源,无线携能通信技术(SWIPT)越来越受到人们的关注.在SWIPT系统中，信息结合能量的同步传输十分契合无线通信对于绿色节能的要求，极大地延长了能量受限网络(如无线传感器网络、军事战场通信等)的使用寿命.本文重点研究中继协作系统与携能技术相结合后，动态功率分配技术对原有系统的性能影响.给出系统中断概率以及信道容量的闭合表达式.通过MATLAB验证推导理论的正确性.

无线携能通信； 中继； 动态功率分配

0 引言

近些年，人们对于环境保护的意识有了显著的提高，并且随着全球物联网产业的发展和多媒体智能技术的迅速普及，能源需求在通信业务量的爆炸性增加的同时显著增加，建设高性能的绿色无线通信系统成为当前无线通信领域亟待研究解决的前沿课题，即信息与通信领域更“绿色环保化”的思想引起全世界通信研究领域的极高的重视.无线通信，本质上是在无需电缆等有线介质的情况下进行信息的高效便捷传递，突破了距离、环境等外部条件的限制，将信息发送到自由空间中，通过空间中的电磁场的无线传播得以实现.而无线通信系统的供能来源主要分为两种，一种是通过电网供电，另一种是蓄电池供电.电网供电包括变电、输电和配电，比较不方便在恶劣的信道环境中工作，而储蓄电池供电方式较之于电网供电更加便捷，易于携带，但其本身的存储能力导致通信系统的能量和功率都具有很大的局限性，以至于系统的服务性能和待机时间受到制约.对此，考虑到无线能量传输和无线通信机制，学术界提出了一种新型的可以将信息和能量同步传输的思想，即无线携能通信技术.

1 无线携能通信技术

利用电磁波可在自由空间进行传播这一特性，人们通过无线的方式实现信息传输和功率传输.作为两条并行分支，无线信息传输技术和无线功率传输技术分别得到了广泛研究和应用.但随着无线传感器网络等应用场景的深入发掘，利用电磁波在无线系统中进行信息和功率联合传输的应用场景得到了诸多专家学者的关注和研究.2008年麻省理工大学Varshney教授在文献[1]中最早提出了无线信息与功率联合传输的思想，并对其可能应用的场景进行了分析和预言.Varshney教授使用“容量-能量”(capacity-energy)函数推导了无线信息与功率联合传输的性能公式，并针对加性高斯白噪声(Additive White Gaussion Noise，AWGN)信道，提出了信息可达速率和能量传输效率之间的最佳权衡方案.随后，无线携能通信技术(SWIPT)的研究延伸到频率选择性衰落信道[2]，作者提出用一种耦合电感电路来实现近距离的信息能量同时传输，并对频率选择性信道的可达速率和能量折中进行了研究.随后，文献[3]研究了存在共信道干扰情况下的SWIPT技术，作者并没有将共信道干扰视为降低信道容量的有害因素，而是提出从干扰信号中收集能量，通过优化设计研究不同的速率-能量折中性能和中断-能量折中性能.上述研究假设接收信号可以同时用于信息解调和能量收获，但由于电路技术的限制，该假设很难实现.针对这一问题，Zhang Rui等[4]根据实际情况首次提出时分转换(time-switching)接收机和能量分割(power-splitting)接收机，前者通过时隙轮换的方式分别对接收信号进行信息解调和能量收集，后者通过将接收到的信号分为两路能量流的方式分别进行信息解调和能量收集.该文献首次对MIMO (Multiple Input Multiple Output)信道下无线信息与功率联合传输进行研究,并提出了“速率-能量域”(Rate-Energy Region)性能刻画函数.随后，应用场景被广泛扩展[5-14]，研究模型包括双向传输系统、多用户系统、MIMO系统、认知无线电系统、蜂窝小区网络、大规模天线网络等.

2 系统模型

本文重点考虑了理想通信环境下单用户前向放大(amplify-and-forward,AF)中继通信系统，由源端S、AF中继R和目的端D组成.源端通过能量受限的中继节点将信息发送给目的端.假定源端和目的端之间的直传信道由于障碍物或者信号严重衰落而不存在.整个通信过程分为两个时隙，第一时隙，源端将信息以广播形式发送给中继节点，并在此阶段结束时，中继节点会将接收到的信号按比例θ分为两部分，一部分用于信息的采集，另一部分用于转发信号所需能量的收集；第二时隙，中继节点将接收到的信号经过放大转发给目的端.假设所有通信信道均为瑞利衰落信道hij～CN(0,Ωij)，其中i,j～(S,R,D).系统中的信道噪声均假设为复高斯对称循环白噪声且服从CN(0,N0).

第一时隙，中继节点接收到源端发送的信号表示为：

(1)

式(1)中：Ps表示源端发送信息的能量，hsr表示源端到中继节点的信道，xs表示信源传输的信号单元能量，nr表示中继节点的加性高斯白噪声.

第二时隙，中继节点将放大转发接收到的部分信号，假设放大增益为G，则此时目的端接收到的信号为：

yd=hrdGxr+nd

(2)

式(2)中：xr表示中继节点发送的信号，hrd表示中继节点到目的端的信道，nd表示目的端的加性高斯白噪声，0<θ<1为动态功率分配因素，其中，接收到的信号(1-θ)部分用于信号处理.

如前所述，中继节点接收到的信号一部分用来能量收集，一部分用于信号处理，那么，假设用于能量收集的信号表示为：

(3)

通过处理，可以得到中继用于信号转发的能量为：

Pr=ηθ(Ps|hsr|2+N0)

(4)

式(4)中：0<η<1表示收集能量的转化效率.由此，可以得到放大增益G.

(5)

同理，用于信息处理的中继信号表示为：

(6)

结合公式(2)、公式(4)、公式(5)和公式(6)，通过推导可以得到系统端到端的信噪比表达式：

(7)

式(7)中：μ=Ps/N0，γs=|hsr|2，γr=|hrd|2.

3 系统性能分析

3.1 中断概率

中断概率其实是链路容量的另一种表达方式，当链路容量不能满足所要求的用户速率时，就会产生中断事件，被定义为瞬时信噪比低于预定的阈值γth，表示为：

Pout=Pr(γSNR<γth)=

(8)

式(8)中：

Fhsr(x)=1-e

(9)

(10)

式(9)和(10)分别为信道hsr和hrd的概率分布函数和概率密度分布函数.依据文献[15]的公式(3.471.9)，可得系统中断概率闭合表达式为：

(11)

式(11)中：K1(x)为二阶修正贝叶斯函数.

3.2 系统遍历容量

基于无线系统信息论遍历信道容量可表示为：

(12)

由于很难得到该系统模型下的信道容量闭合表达式，因此将系统的信噪比进行缩放降低复杂度，如下式：

(13)

该式推导出的遍历容量表达式与实际的性能线几乎吻合，能够很好的表现系统的性能变化，将于后续的蒙特卡洛仿真进行相应的证明.

至此，应用偏积分理论并且依据文献[15]的公式(3.352.4)，可得系统遍历容量的闭合表达式为：

(14)

式(14)中：EI(·)为指数积分函数.从推导结论看出系统的总容量主要取决于信号源到中继点的信道增益以及信号的发送能量.

4 仿真与分析

考虑系统能量接收机的能量转换效率为90%，也就是说，在用户接收端所接收的信息几乎可以完全转换成能量进行采集与储存，不失一般性，将系统传输速率设为R=1 bps/Hz.假设中继节点的位置在源端和目的端的连线上变动.因此，源端和目的端的距离等于中继节点与两端的距离和.假设源端和目的端的距离等于1，则中继节点到源端和目的端的距离d1和d2满足0

图1给出了系统中断概率的蒙特卡洛仿真结果，并与理论分析给出的中断概率闭合表达式(11)做了比较.仿真参数设置为θ=0.5，η=0.9.主要考虑三种情况：

(1)当源端到中继节点的信道增益远大于中继节点到目的端的信道增益的情况；

(2)当源端到中继节点的信道增益等于中继节点到目的端的信道增益的情况；

(3)当源端到中继节点的信道增益远小于中继节点到目的端的信道增益的情况.

图1 在不同参数下的系统中断概率性能

从图1可以看出，文中的推导公式与实际的通信情况几乎完全吻合，因此，得以证明本文推导的正确性.另外，从图1可知,系统的中断概率取决源端到中继节点、中继节点到目的端的信道增益和系统发送信号的能量，随着发送信号能量的增加，系统中断概率明显减小；且当源端到中继节点的信道增益等于中继节点到目的端的信道增益时，系统性能最优；当源端到中继节点的信道增益远小于中继节点到目的端的信道增益时，系统性能最差.从图1中还可以看到,没有采用SWIPT技术的AF系统中断概率的在低信噪比区域内优于采用SWIPT技术的系统，但在高信噪比区域性能较差并出现了平台效应，这是预料到的，因为没有采用SWIPT技术中继节点发送信号的能量是不变的Pr=15 dB，限制系统的性能限.

图2给出了系统遍历容量的蒙特卡洛仿真结果，并与理论分析给出的系统遍历容量闭合表达式(14)做了比较.仿真参数设置为θ=0.5，η=0.9.同样的，仍然考虑三种情况：

(1)当源端到中继节点的信道增益远大于中继节点到目的端的信道增益的情况；

(2)当源端到中继节点的信道增益等于中继节点到目的端的信道增益的情况；

(3)当源端到中继节点的信道增益远小于中继节点到目的端的信道增益的情况.

从图2可以看出，文中的理论推导为实际的通信情况的上限，且性能几乎吻合，因此，得以证明推导的正确性.并且，从图2中可以看出系统的总容量取决源端到中继节点、中继节点到目的端的信道增益和系统发送信号的能量，随着发送信号能量的增加，系统容量明显增加；且系统容量主要取决于源端的信道增益，与本文的分析一致.从图2中依然可以看到，没有采用SWIPT技术的系统性能在高信噪比区域较差.

图2 在不同参数下的系统遍历容量性能

5 结论

本文针对基于SWIPT技术的协作中继系统进行了研究，推导出系统中断概率和系统遍历容量的闭合关系表达式，通过蒙特卡洛仿真验证了分析的正确性，通过分析得出结论.

[1] L R Varshney.Transporting information and energy simultaneously[C]//IEEE International Symposium on Information Theory.Toronto,Canada:IEEE Press,2008:1 612-1 616.

[2] P Grover，A Sahai.Shannon meets Tesla:Wireless information and power transfer[C]//IEEE International Symposium on Information Theory.Austin,TX,USA:IEEE Press,2010:2 363-2 367.

[3] L Liu,R Zhang,K Chua.Wireless information transfer with opportunistic energy harvesting[J].IEEE Trans.Wireless Commun.,2013,12(1):288-300.

[4] R Zhang,C K Ho.MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer[J].IEEE Trans.Wireless Commun.,2013,12(5):1 989-2 001.

[5] 牛志升，周 盛，周世东,等．能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统新架构及其技术挑战[J]．中国科学：信息科学，2012，42(10):1 191-1 203.

[6] 杨庆新,陈海燕,徐桂芝,等.无接触电能传输技术的研究进展[J].电工技术学报,2010,25(7):6-13.

[7] 朱春波,于春来,毛银花,等.磁共振无线能量传输系统损耗分析[J].电工技术学报,2012,27(4):13-17.

[8] 李 阳,杨庆新,闫 卓,等.无线电能有效传输距离及其影响因素分析[J].电工技术学报,2013,28(1):106-112.

[9] 马海虹.航天器间微波无线能量传输技术研究[J].空间电子技术,2013(3):57-60.

[10] 杨雪霞.微波输能技术概述与整流天线研究新进展[J].电波科学学报,2009,24(4):770-779.

[11]XChen,XWang,XChen.Energy-effcientoptimizationforwirelessinformationandpowertransferinlarge-scaleMIMOsystemsemployingenergybeamforming[J].IEEEWirelessCommunicationsLetters,2013,6(2):667-670.

[12]OzelO,TutuncuogluK,YangJ,etal.Transmissionwithenergyharvestingnodesinfadingwirelesschannels:Optimalpolicies[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2011,29(8):1 732-1 743.

[13]ChaliseBK,ZhangYD,AminMG.EnergyharvestinginanOSTBCbasedamplify-and-forwardMIMOrelaysystem[C]//IEEEInternationalConferenceonAcousticsSpeechandSignalProcessing(ICASSP).Kyoto:IEEEPress,2012:3 201-3 204.

[14]NgDW，LoES，SchoberR.Wirelessinformationandpowertransfer:EnergyefficiencyoptimizationinOFDMAsystems[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2013,12(12):6 352-6 370．

[15]ISGradshteyn,IMRyzhik.Tableofintegrals,series,andproducts,7thed[M].NewYork:AcademicPress,2007.

【责任编辑：蒋亚儒】

Performance analysis of SWIPT technology in wireless communication system

GUO Jing， LU Jin

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Energy constraint is the bottleneck for the application of wireless sensor networks (WSNs).In order to provide the WSNs with stable and sustainable energy,simultaneous wireless information and energy transfer ( SWIPT) attracted more and more attention.In SWIPT system,synchronous transmission of information and energy seriously fits the pursuit of green energy,which will significantly prolong the lifetime of the energy-constrained networks (such as the wireless sensor networks,military battlefield communications,and etc.).In this paper,we mainly derive the performance difference between cooperative relay system and SWIPT cooperative relay system,which use the dynamic power allocation method.We deduced the closed-form of outage probability expression and the channel capacity for SWIPT amplify and forward (AF) relay system.The correctness of our theoretical derivation has been verified by MATLAB simulation.

SWIPT; relay; dynamic power allocation

2017-01-10

陕西省教育厅专项科研计划项目(16JK1094)； 陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ16-13)

郭 晶(1983-)，女，陕西西安人，讲师，博士，研究方向：中继协作系统及无线通信

2096-398X(2017)03-0176-04

TN925

A