多跳AF中继中的动态混合携能通信研究

摘要：本文以动态混合携能通信为研究对象，探索其最佳状态的优化方式。考虑信源与信宿之间的中继传输具有m跳与多跳等方式，以此搭建无线携能通行的仿真模型。约束条件设置为总传输功率的限定性、吞吐量的科学设计，以此完成功率传输效率与信息传输能力两者之间存在的平衡关系，获得非闭合表达式，能够计算特定位置、限定吞吐量时跳数最大值。仿真模拟实验发现：采取多重中继跳数方案，科学调整参数，能够拓展网络覆盖面积，提升能源利用效率，达成最佳的携能通信状态。

关键词：传输功率;吞吐量;携能通信

引言：应急通信系统适用性具有广泛性，具体表现在：自然灾害信息反馈、事故隐患预警、公共卫生事件警报等，此类事故具有发生的突然性、涉及面积的公众性、事故影响的危害性，具有通信实时性、信息准确性、数据真实性的需求。然而，事故发生时具有紧迫性，应急通信系统的应用需求在于响应速度。为此，探索携能通信的最佳应用方案，具有研究的必要性。

1搭建模型

1.1模型搭建依据

以信源节点达到目标节点为研究视角，探索其运动过程经历跳数，分析其运行中继系统的状态。假设每个节点具有半双工运行能力，且含有单个天线，由此结果有可能获得多组天线。以网络覆盖面积为发展方向，设定信源与目标位置两者之间不存在捷径，同时设定多跳节点相互之间并不存在直接链路。信号实际携带的自信源节点，其内在属性表现在功率与信息两个方面，中继程序有多跳中继节点予以完成，直至信号到达目标节点为止。在每次跳跃时，中继节点应完成信源、前跳信号能量两个参数的收集，继而借助实际收集获取的能量，完成信号下一次中继跳跃，使其顺利抵达目标位置[1]。

1.2参数设定

在中继跳的运行期间，设定m为跳数，取值为1，2，...;dm表示在跳数中产生的节点间距;gm表示跳数产生中继位置产生的因子，此因子具有放大性;则有关系式r0[k]=s[k]，设定为键控信号，s[k]在取值-1与1两个值时，存在等同的先验概率;nma[k]作为第m个中继射频前方位置产生的噪声;nmc[k]表示在第m个中继射频内部位置产生的噪声。此外，设定nma[k]=nmc[k]=0，两个参数的方差为b12、b22，方差数值作为高斯随机变量。

1.3模型搭建

假设每跳产生信号传输时间为T，单位为秒。在混合协议中，TS与PS形成的帧结构，搭建模型流程为：

（1）中继消耗时间为T，部分时间完成了信源与前跳信号能量两个资源的收集，在m跳表示m中继位置时间消耗比例，以TS因子作为表示方式，即xm，其中m为常数，存在0≤xm<1的关系式。

（2）中继在T时间范围内收集的信号功率1-am，截取部分功率完成能量收集，在m中继部分产生的功率消耗比例，以PS因子作为表示方式，即fm，其中m为常数，存在0≤fm<1的关系式。应关注的问题为：当fm=0时，混合协议将会发展成为单向TS协议;当xm=0时，混合协议将会发展成为单向PS协议。

因此，在多跳AF中继运行期间，前跳在信号接收过程中，实际产生的能量消耗，将会转移至下跳。由此获得m中继位置在信号接收时的计算方式：

rm[k]={（1-fm）Pm-1}-1×gm-1×{um/（dm）-1}×rm-1[k]+（1-fm）-1×nma[k]+nmc[k]                                             ....（1.3.1）

關系式中：Pm-1表示在m-1位置的中继节点，其实际产生的信号传输功率消耗;P0表示信源传输时产生的功率消耗;um是一种衰落系数，对应在m中继位置，将此系数设为固定值，不具有变化的可能性;v表示信号传输消耗指数。在此基础上，采取表达式的简化方式，设定um为固定值，dm=1。当距离确定的基础上，{um/（dm）-1}=um，继而简化公式（1.3.1），获得表达式为：

rm[k]= gi {（1-fi+1）Pi}-1· uis[k]+ {{ gj· {（1-fi+1）Pi}-1} uj·[（1+fi）nia[k]+nic[k]]}                                       .....（1.3.2）

表达式中：gi表示放大系数，用于反映AF中继产生收益。

（3）固定收益gi的计算方式为：

gi=1/（Pi-1△i+b12+b22）-1                               ...（1.3.3）

表示中△i取值为E{|ui2|}，用于表示um衰落系数的对应功率。

（4）以公式（1.3.1）为基础，m中继位置能量收集的计算表达式为：

Ehm=q ui2 gi2 P· （1-fi）xmT+q ui2· gi2 Pi （1-fi）·（1-xm）fmT                                      ...（1.3.4）

计算表达式中h表示收集能量获得的转换效率。基于每跳能量传输时间消耗总计为T，为此，m节点位置功率传输的计算表达式为：

Pm=Ehm/T=q ui2 gi2 Pi· （1-fi）[xm+（1-xm）fm]...（1.3.5）

在关系式（1.3.5）中，基于每跳能量传输时间消耗总计为T，为此，对T采取了归一化处理。

（5）m中继位置产生吞吐量的计算表达式为：

C0=（1-xm）log2（1+ym）                               ...（1.3.6）

Ym的计算方式为：

Ym=（ ui2 gi2 （1-fi+1）Pi（1-xm）T）/（ { uj2 gj2 （1-fi+1）

Pi[（1-fi]b12+b22}）                             ...（1.3.7）

当m值增长时，每跳位置的能量收集能力，其加速能力将会削弱。为此，在能量收集过程中，存在增长变化的临界值，将此数值设定为m，能量收集数量不充足时无法完成数据传输，由此引出临界值的关系式，即：

（1-xm）log2（1+ym）

在此前，m跳中继位置产生的吞吐量为C0，由此获得：xm与fm两个参数，在P0初始化功率条件时，获得了中级传输范围的最大值[2]。此时xm与fm两个参数对应的表达式，能够达成（1.3.8）关系式的临界值。

2仿真模拟

2.1仿真数据设定

开展仿真模拟计算，查验多重因子收集、各类系统参数共同作用下，形成的中继范围最大值。在仿真实验中，参数设定方式为：bma2=bmc2=0.01，um2=0.1;△m=0.1;m取值为常数，即1，2，...;T取值为1，v取值为3，C0取值为3，y0=（u12P0T）/（bma2+bmc2），作为第一组中继信噪比，此信噪比与能量P0、T两个因素存在直接相关关系。

2.2仿真结果

模拟发现：在多重混合因子中，产生具有差异性的y0、q、d参数，在特定节点吞吐量时，能够获得跳数最大值。模拟与预期存在一致性，y0作为初始信噪比，具有参数较大的性质，q作为能量转换数值较大的参数，d间距数值相对较小，由此获取跳数最大值。然而，在实际模拟分析中发现：初始信噪比y0与能量转换能力q两个因素存在发展的限制性，且網络覆盖面积的影响因素为中继间距与跳数两个参数的乘积，当间距d参数增加时，引起跳数相应减少，由此网络覆盖面积的增加，无法依赖于间距d。对比y0、d、q三个参数，可以发现：网络覆盖面积在增加时，具有较大决定性作用的是混合协议因子，即xm与fm[3]。

在仿真模拟过程中发现：xm与fm两个参数在优化处理时，将会获得跳数最大值，然而fm数值较小，在优化处理时，对其采取减小措施，旨在提升中继信号运行所需的功率，用以末端几跳完成长距离传输。此种优化处理的原因在于fm数值较小时，引起TS部分占据优势，以此提升跳数增加的可能性，在末端几跳中，无线星系传输能力逐渐减弱，由此应借助fm的较大值提升信号传输的功率。在优化处理过程中，借鉴了权衡思想，依据具体变化过程采取动态优化措施，具有优化措施的灵活性与针对性。

由此说明：TS与PS两个协议具有动态混合性质，无法保证通信传输的品质与效率，且能够完成的跳数最大值等同于TS协议;SWIPT协议中的TS与PS混合应用，能够提升携能通信的网络覆盖面积，获取能源利用的最大化效益;与此同时，在使用混合协议期间，应尽可能地规避xm=0，fm=0的降级问题，应借助假设间距实现简化处理，间距可设定为1;多重相关间距获取的加权跳数，作为无线信号传输期间各跳中继间距的总数，间距总和=加权跳数，在一定程度上影响着中继网络覆盖的实际面积。

结论：综上所述，多跳AF中继体系内部实际运行的TS、PS两种协议具有动态混合性质，在模型建立过程中获得了双参数混合的表达式，此表达式的形式为非闭合。借助数学分析软件，计算出给定吞吐量作用下产生的中继跳数最大值，由此计算每跳产生的能量与误码可能性。经仿真模拟发现：采取多重中继跳数方案，科学调整参数，能够拓展网络覆盖面积，提升能源利用效率，达成最佳的携能通信状态。

参考文献：

[1]李娜. 携能通信网络中具有非线性能量转换效率的源端能耗问题研究[D].河北工程大学，2020.

[2]宋志群，刘玉涛，吕玉静.无线携能通信时隙与功率联合优化算法研究[J].哈尔滨工业大学学报，2020，52（05）：35-40.

[3]林浩男，毛明禾.多跳AF中继中的动态混合携能通信[J].电子测量技术，2019，42（06）：114-118.

作者简介：

李孟洋（1986.11——），性别：男，民族：汉族，籍贯：黑龙江省齐齐哈尔市拜泉县，单位：哈尔滨理工大学，职称：讲师，学位硕士，研究方向：光学。