一种适用于多中继能量收集协作网络的链路选择策略*

向善旭 雷洋洋 胡佳烨 陈秋缘

（1.长安大学 西安 710064）（2.哈尔滨理工大学 哈尔滨 150006）

1 引言

资源节约是这个时代科学技术的一条重要标准，尤其是在信息传输与处理技术飞速发展的今天，且通信业务更是如此。射频（RF）能量传输和收集技术已被认公认为下一代无线网络［1］的可持续自供电的解决方案，中继节点从接收的射频信号中提取能量并进行信息转发，不仅提高系统的能量利用效率，也延长了节点本身的使用寿命。无线信息与能量协同传输（Simultaneous Wireless Informa⁃tion and Power Transfer，SWIPT）技术［2］引起了学术界的广泛关注。因此，具有能量采集能力的通信系统成为新的研究热点。当前两种能量采集有两种方式，一种是功率分割（Power Splitting，PS）［3］，即具有能量采集能力的节点将接收到的功率分成两部分，一部分用于存储，一部分用于信息处理；另一种方式是时间切换方式（Time Switching，TS）［3］，即具有能量采集能力的节点在接受信号的时间段将时间分为两部分，一部分用于能量存储，一部分用于信息处理。文献［4］中提出了一些实用的SWIPT接收机架构，即时间切换（TS）和功率分割（PS）接收机架构，这些架构在无线通信中得到了广泛的应用。

此外，协作中继技术还可以广泛应用于认知无线电网络［5～6］，空时网络编码网络［7］等无线网络中。考虑到放大转发（AF）中继策略，文献［8］中的作者针对一个源节点，一个射频能量采集中继和一个目的节点所组成的简单中继网络，研究了基于功率分割（PS）和时间切换（TS）的中继协议的中断性能。考虑到类似的单中继网络，但采用解码转发（DF）中继策略，在文献［9］中分析了基于功率分割（PS）和时间切换（TS）的中继协议在有直达链路和没有直达链路情况下的最大传输速率。与文献［10～11］中多中继多用户协作网络中所采用的独立同分布衰落信道假设的研究不同，现有研究中考虑独立但不一定同分布的衰落信道的研究较少，尤其是在SWIPT的协作中继网络中。

不难预见，能量采集技术一定会在5G 通信系统、物联网等下一代无线通信网络的建设中发挥更大的作用。在多中继系统和多目的节点系统中，为了实现节点选择，系统信道状态交互阶段，往往需要耗费大量的中断能量和链路传输开销，现有公开报道的文献中，对于中继链路和直达链路信息的合并选择处理技术还鲜有研究，本文主要研究多中继多节点的无线信息与能量协同传输（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT）系统，设计基于门限选择算法的链路选择技术，兼顾传输性能与实现复杂度，并探索不同的系统关键参数对SWIPT系统性能的影响。

2 系统模型和选择方案说明

2.1 系统模型

本文研究的无线信息和能量协同传输模型如图1 所示，在该模型中，考虑双跳协作中继网络下行传输场景，假设存在1 个基站，K个射频能量采集中继R={Rk|k=1,2…,K} ，M个目的节点D={Dm|m=1,2…,M}。每个节点均为单天线终端，按照半双工的模式，在同一频段下按照不同的时隙接入进行通信，假设所有链路都服从独立不同分布瑞丽块衰落，如此，任意两点之间的信道增益|hXY|2服从指数分布，即满足：

图1 基于两跳多中继多用户协作网络的无线信息和能量协同传输模型

λXY表示的是速率参数，满足，其中dXY表 示 任 意 两 点 的 距 离，其 中X{S}∪R，YR∪D，而α表示大尺度衰落的路径损耗指数。其中，信道的平均增益可以表示成［12］：

其中，d0表示的是参考距离，L表示的是在d0位置的平均信号功率衰减。

2.2 中继节点的选择过程

对于中继节点而言，假设不同的节点能量转换效率是一致的，即为η，同时，基站负责对SWIPT系统中的功率分配因子ρ的调节，令基站的发送平均信噪比为，那么从源节点到目的节点的链路选择可以表示成：

当采用解码转发中继协议时，根据DF 协议的规则，中继节点的链路选择可以表示成：

当采用放大转发中继协议时，根据AF 协议的规则，中继节点的链路选择可以表示成：

其中，κk表示源节点和中继k之间的的欧氏距离［12］。

2.3 通信过程

具体通信过程如下：

第一步：在通信之前，在中继先发训练序列到目的节点D，根据不同链路的信道状态，选择最佳的中继目的通信节点对。

第二步：在第一步的选择的基础上，整个通信过程分为两个阶段，第一阶段，基站节点S将信息广播发送给选定的目的节点D，目的节点D在接收到基站节点S的信息过程中，不采用SWIPT 技术；于此同时，中继节点R同样会获得相同的数据包，此时中继节点R利用SWIPT 技术进行能量采集和数据转发。

第二阶段，中继节点R利用在第一阶段所采集到的能量，来转发信息给目的节点D，转发过程中的处理协议为DF和AF，目的节点D利用选择合并技术，将直接链路的信号和中继转发的信号进行融合处理。

3 本文所设计的链路选择方案

3.1 数据传输过程

本文所设计的基于门限选择算法的SWIPT 传输帧结构如图2所示。

图2 基于门限选择的SWIPT传输帧结构

假设两个阶段的时隙相同，均为T，在第一阶段，基站S广播信息s，选中的中继节点Rb和目的节点Db均可以收到，满足=1，其中E[ ]表示取均值，此时目的节点接收到的信号可以表示成：

此时S→Db信道的接收信噪比可以表示成：

在SWIPT技术的支撑下，基站的功率划分出两块，一块ρ用于实现能量采集，一块(1 -ρ)用于作为接收功率，实现信息的解码处理［13］。在选中的中继上，其获得的能量可以表示成［14］：

其中，0<η<1 表示能量转换效率。中继节点所接收到的信息可以表示成：

此时，S→Rb信道的接收信噪比可以表示成：

在第二阶段中，选中的中继节点利用采集获得的能量，来转发源节点的信息［15］，此时其发送功率可以表示成：

中继转发采用的协议，可以考虑采用AF 协议和DF 协议，在采用DF 协议下，假设中继节点能够成功地解码源节点的信息，那么在目的节点处获得的接收信号可以表示成：

其中，s表示中继成功解码后重新编码的信号，此时获得的瞬时信噪比可以表示成：

在双跳DF传输过程中，任意一跳的失败，将导致整个系统传输的失败，其端到端的信噪比可以表示成：

在中继节点选择AF 协议时，选择的最佳中继对信号继续放大转发，在目的节点Db处获得的信号可以表示成：

由此，端到端的信噪比可以表示成：

其中G 为采用AF 中继协议时的噪声放大系数［12］。

3.2 算法描述

在目的节点接收合并的过程中，需要对S→Db和S→Rb→Db路径进行选择，这里为了获得切换复杂度和实现性能的折中，本文设计了基于门限信噪比的选择算法，对应得到的系统信噪比可以表示成：

其中Γ( ) 表示基于门限的选择过程，当S→Db链路的瞬时信噪比γSDb大于门限值时，系统直接选择S→Db链路，而当该条件无法满足，且S→Rb→Db路径的瞬时信噪比大于门限值时，则系统直接选择S→Rb→Db链路，若两个条件都无法满足，则选择两个链路中较大的一个，其具体实现如下：

然后在本文所设计的基于门限选择的SWIPT系统下，结合不同的中继转发策略探索不同参数配置下的系统性能之间的差异，并且将本文多中继多用户节点的协作网络通信场景与单中继通信场景进行性能比较分析。能得到一些关键参数对于SWIPT 系统性能的影响。并且最后通过仿真实验来评估针对多中继多用户节点的通信网络模型所提出的基于门限选择算法，结果说明了该算法的有效性。

4 仿真分析

本文通过编写Matlab代码的方式，结合不同的中继转发协议，对研究的SWIPT系统的传输中断概率和传输容量进行仿真分析，揭示设计的不同的关键参数对设计的系统模型性能产生的影响。仿真中主要基于计算机建模进行研究，仿真软件采用的是Matlab 2020a，操作系统版本为微软Win10 64 位专业版。

中断概率，是评价系统通联状态的一个重要指标。图3 给出了不同天线配置下的SWIPT AF 系统传输中断概率仿真分析，其中横坐标表示的是传输衰落信道的信噪比变化范围为0∶2∶30，单位为dB，纵坐标表示系统的中断概率，中继节点数目配置为2、3、4，目的节点配置为2 和4，中断速率设置为1bit/s，中继路径和直传路径的选择门限值设置为10dB，路径损耗分量设置为2.7，携能转换效率为0.7，功率分割因子为0.5，统计平均次数设置为100次。观察仿真图可以发现，在采用放大转发的SWIPT 系统中，随着信噪比的提高，系统的中断概率不断降低，表明提高信道的传输质量，可以有效地改善系统的传输中断性能，在固定中继节点数目时，改变目的节点的数目，在高信噪比部分可以一定程度地提升系统的传输性能，而在固定目的节点时，改变中继节点数目，系统可以获得整体的提升，如目的节点数目为4，中继节点数目从2 变到4 时，当BER=0.001 时，系统所需的信噪比降低了4dB。特别地，相比于单AF中继通信场景，不同天线配置下的SWIPT-AF系统性能均获得了大幅度的提升。

图3 不同天线配置下的SWIPT AF系统传输中断概率仿真分析

图4 给出了不同天线配置下的SWIPT DF 系统传输中断概率仿真分析，其中横坐标表示的是传输衰落信道的信噪比变化范围0∶2∶30，单位为dB，纵坐标表示的是系统的中断概率，在相似的参数配置下，我们得到了与SWIPT AF 系统传输中断概率相似的结论，但进一步比较发现，同等参数配置下，SWIPT DF系统传输中断概率，比SWIPT AF系统传输中断概率更小，其主要原因在于DF 转发系统能够避免放大噪声的情况，进而获得了性能的提升。

图4 不同天线配置下的SWIPT DF系统传输容量仿真分析

传输容量是评估系统传输能力的一个重要指标。图5 给出了不同天线配置下的SWIPT AF 系统传输容量仿真分析，其中横坐标表示的是传输衰落信道的信噪比变化范围0∶2∶30，单位为dB，纵坐标表示的是系统的传输容量，中继节点数目配置为2、3、4，目的节点配置为2 和4，中继路径和直传路径的选择门限值设置为10dB，路径损耗分量设置为2.7，携能转换效率为0.7，功率分割因子为0.5，统计平均次数设置为10000 次。观察仿真图可以发现，随着信噪比的提高，系统的传输容量不断增大，相比于单节点中继通信场景而言，配置天线节点数目的增大，带来系统性能的显著提升，在多种配置的复杂构建下，我们通过仿真，得到几个有意思的结论，在相同的中继节点数目（数目为2）时，增加目的节点数目（数目从2 增加到4），可以发现系统的容量存在先减小后增大的情况，且在高信噪比区域，目的节点数目越多，性能越好；在相同的目的节点数目（数目为2）时，增加中继节点数目（数目从2增加到4），可以发现系统传输容量同样存在先增大后减小的情况，且在低信噪比区域，中继节点数目越多，性能越好，而随着信噪比的增加，最后传输容量趋于一致。

图5 不同天线配置下的SWIPT AF系统传输容量仿真分析

图6 给出了不同天线配置下的SWIPT DF 系统传输容量仿真分析，其中横坐标表示的是传输衰落信道的信噪比变化范围0∶2∶30，单位为dB，纵坐标表示的是系统的传输容量，在相似的参数配置下，我们得到了与SWIPT AF系统传输传输容量相似的结论，但进一步比较发现，同等参数配置下，SWIPT DF系统传输容量，比SWIPT AF系统传输传输容量更大，这一点结论，将在后续的仿真中得到验证。

图6 不同天线配置下的SWIPT DF系统传输中断概率仿真分析

对于SWIPT系统而言，功率分配因子是非常关键的系统性能评价参数之一。图7和图8分别给出了不同功率分配因子下的SWIPT 系统传输中断概率和容量性能仿真比较。在仿真的过程中，中继节点数目设置为3，目的节点数目设置为3。中断速率设置为1，路径损耗分量为2.7，携能转换效率为0.7，路径损耗为10，中继路径和直传路径的选择门限值为10dB。在不同功率分配因子下的SWIPT 系统中断概率性能仿真比较中，横坐标表示功率分配因子，范围在0.1∶0.05∶0.9，纵坐标表示的是中断概率，观察仿真图可以发现，随着功率分配因子的增大，SWIPT AF系统和SWIPT DF系统的中断性能都先减小后增大，存在的全局的最小值，我们注意到，解码转发的SWIPT 系统性能优于放大转发的SWIPT系统性能，且获得两个系统最优值的功率分配因子不同，SWIPT AF 系统的最优功率分配因子在0.35，而SWIPT DF 系统的最优功率分配因子在0.45。

图7 不同功率分配因子下的SWIPT系统中断概率性能仿真比较

图8 不同功率分配因子下的SWIPT系统传输容量性能仿真比较

在不同功率分配因子下的SWIPT 系统传输容量性能仿真比较中，横坐标表示功率分配因子，范围在0.1∶0.05∶0.9，纵坐标表示的是传输容量，观察仿真图可以发现，随着功率分配因子的增大，SWIPT AF 系统和SWIPT DF 系统的中断性能都先增大后减小，存在的全局的最大值。我们注意到，解码转发的SWIPT 系统性能同样优于放大转发的SWIPT系统性能，且获得两个系统最优值的功率分配因子相同，SWIPT AF系统和SWIPT DF系统的最优功率分配因子均在0.3。因此，实际应用中，将最佳功率分配因子设置在0.3，能够较好地兼顾系统中断概率和传输容量。

5 结语

本文设计了基于门限选择的SWIPT 中继传输系统，借助Matlab 软件搭建了系统仿真模型，利用传输容量和中断概率作为性能评价指标，仿真分析了不同参数配置下的系统性能比较，解释了关键参数对SWIPT系统性能的影响。通过仿真发现，相比于单中继通信场景，不同天线配置下的SWIPT系统性能均获得了大幅度的提升，目的节点数目或者中继节点数目的增加，有助于提升系统传输性能，解码转发的SWIPT 系统性能优于放大转发的SWIPT系统性能，实际应用中，将最佳功率分配因子设置在0.3，能够较好地兼顾系统中断概率和传输容量。本课题的研究成果，为促进SWIPT技术的深入理解和推动SWIPT技术的具体应用，提供了重要的参考。