基于功率劃分的能量收集協(xié)作中繼傳輸系統(tǒng)的中斷概率分析

1、 密級(jí)： 公 開(kāi) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文THESIS OF BACHELOR題 目 基于功率劃分的能量收集協(xié)作中繼傳輸系統(tǒng)的中斷概率分析學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 系 電子系 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 職稱： 起訖日期： 學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留

2、、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。本學(xué)位論文屬于 不保密。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 日期：導(dǎo)師簽名： 日期： 摘要基于功率劃分的能量收集協(xié)作中繼傳輸系統(tǒng)的中斷概率分析專 業(yè)：通信工程 學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：摘要在基于結(jié)合協(xié)作無(wú)線通信技術(shù)和能量收集技術(shù)的基礎(chǔ)上的多用戶無(wú)線傳輸系統(tǒng)中，本文主要研究了在中繼中使用功率劃分策略對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中信息傳輸過(guò)程中

3、斷概率的影響。論文中假定的是在一個(gè)具有一個(gè)源點(diǎn)，兩個(gè)目的點(diǎn)和一個(gè)具有有限能量中繼的多用戶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸模型中，此外，中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)的方式。文中提出了一種基于功率劃分的協(xié)作多用戶傳輸（PSCMT）協(xié)議，分析了該協(xié)議的中斷概率性能，且在此協(xié)議基礎(chǔ)之上，考慮了源點(diǎn)發(fā)射功率，中繼位置以及功率劃分因子對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中斷概率的影響。為了評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能，本文先理論性地分析了PSCMT協(xié)議的系統(tǒng)中斷概率，獲得了中斷概率的具體表達(dá)式。最后，在進(jìn)行仿真之后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析并與原先的分析進(jìn)行了對(duì)比，數(shù)值結(jié)果很好地證明了之前的分析。同時(shí)，揭示了相比于傳統(tǒng)的非協(xié)作方式，PSCMT協(xié)議可以在不增加外部供能的前提下可

4、以獲得更低的系統(tǒng)中斷概率，同時(shí)較好地實(shí)現(xiàn)了綠色通信。關(guān)鍵詞：協(xié)作無(wú)線通信技術(shù);能量收集技術(shù);無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng);中斷概率;放大轉(zhuǎn)發(fā);綠色通信IIIAbstractOutage Probability Analysis of Cooperative Transmisssion based on power splitting with Energy Harvesting RelayAbstractBased on a combination of cooperative wireless communication technology and nenrgy harvesting technolo

5、gy,the paper studies the effect of power splitting strategy used in relay on wireless network transmission system outage probability.Paper assumed that a multiuser wireless network transmission model consist of a source node ,two destination node and a relay node.In addition，the relay adopts amplify

6、-and-forward.This paper also proposed a power splitting-based cooperative multiuser transmission（PSCMT）protocol and analyzed its outage probability performance.Based on this prococol,we considered the effect of source node transmission power,the relays location and the power splitting factor on wire

7、less network transmission system outage probability. To evaluate the performance of the system,paper firstly theoretically analyze the system outage probability of PSCMT protocol,then achieve explicit expressions of system outage probability.Finally,after performing the simulation,numerical results

8、were analysed and perfectly prove the former analysis.At the same time,the numerical results reveal that PSCMT Protocol is a reliable solution to gain lower system outage probability without consuming extra energy compared with traditional non-cooperative scheme.Whats more,it realizes green communic

9、ation.Keyword：cooperative wireless communication technology;energy harvesting technology;wireless network transmission system;outage probability;amplify-and-forward;green communication目錄目錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1 研究背景與意義11.2 研究現(xiàn)狀21.2.1 能量收集技術(shù)21.2.2 協(xié)作中繼技術(shù)31.2.3 論文結(jié)構(gòu)安排4第二章 基于功率劃分的協(xié)作多用戶傳輸（PSCMT）協(xié)議52.1

10、系統(tǒng)模型52.2 接收機(jī)結(jié)構(gòu)52.3 PSCMT協(xié)議描述82.4 PSCMT協(xié)議的中斷概率分析82.5 本章小結(jié)11第三章數(shù)值仿真及分析123.1 功率劃分因子對(duì)系統(tǒng)中斷概率的影響123.2 源節(jié)點(diǎn)功率對(duì)系統(tǒng)中斷概率的影響133.3 中繼位置對(duì)系統(tǒng)中斷概率的影響143.4 本章小結(jié)14第四章 總結(jié)與展望164.1 總結(jié)164.2 展望16參考文獻(xiàn)17致謝19第一章 緒論第一章 緒論本部分主要介紹能量收集技術(shù)與協(xié)作中繼技術(shù)的出現(xiàn)背景及意義，并且對(duì)這兩種技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的當(dāng)前研究現(xiàn)狀進(jìn)行了了解。1.1 研究背景與意義能源是人類(lèi)生存與社會(huì)發(fā)展十分重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，能源發(fā)展已經(jīng)歷了木柴時(shí)代、煤炭時(shí)代、油氣時(shí)

11、代和電氣時(shí)代的幾個(gè)過(guò)程。近幾十年來(lái)，盡管加快了水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用，但全世界能源供應(yīng)主要還是來(lái)自化石能源。全球雖然有較大儲(chǔ)量的化石能源，自從工業(yè)革命之后，人類(lèi)對(duì)化石能源已進(jìn)行了數(shù)百年大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用，全球能源消費(fèi)已呈現(xiàn)總量和人均能源消費(fèi)量持續(xù)“雙增”的趨勢(shì)。此外，在世界人口增長(zhǎng)、工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的影響下，全球一次能源消費(fèi)總量從53.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增長(zhǎng)到181.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，近50年的時(shí)間增長(zhǎng)了2.4倍。亞太地區(qū)已成為了能源消費(fèi)增速最快、總量最大的地區(qū)，而中國(guó)的能源消耗增速已連續(xù)14保持世界最高一次能源消耗增速。截止到2014年，根據(jù)煤炭、石油、天然氣的剩余探明可采儲(chǔ)量，可分別開(kāi)

12、采113年、53年、55年。因此，全世界現(xiàn)在正面臨著嚴(yán)峻的資源枯竭、污染排放嚴(yán)重兩個(gè)問(wèn)題。當(dāng)前在所有社會(huì)行業(yè)中，信息通信技術(shù)是發(fā)展最快的行業(yè)，隨之帶來(lái)的能源消耗以及C0排放量也迅速增長(zhǎng)。根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)，ICT（Information and Communication Technology）產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的C0占全球總排放量的2%，能源消耗占據(jù)全球總能源消耗的3%，而能源消耗的57%來(lái)自移動(dòng)通信，而無(wú)線接入網(wǎng)部分消耗了移動(dòng)通信系統(tǒng)中的大部分能量1。隨著使用手機(jī)人數(shù)的增加，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)每年在能量消耗方面以30-40%的速度增長(zhǎng)，我國(guó)目前通信業(yè)每年耗電量大約為200多億度2。此外，大部分的移動(dòng)設(shè)備都是由

13、電池供能，而電池儲(chǔ)能有限，關(guān)于電池容量的技術(shù)一直未取得突破性進(jìn)展3，這使得無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間無(wú)法延長(zhǎng)。因此，在保證良好通信質(zhì)量的前提下，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間是未來(lái)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)面臨的重要問(wèn)題。要延長(zhǎng)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間，提高通信質(zhì)量，即解決網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備能量受限問(wèn)題。從解決設(shè)備供能問(wèn)題上，當(dāng)前國(guó)際學(xué)術(shù)界研究方法主要有兩個(gè)：一、設(shè)計(jì)有效的通信協(xié)議合理分配通信網(wǎng)絡(luò)中的資源來(lái)減少系統(tǒng)的能耗；二、采用能量收集技術(shù)來(lái)利用周?chē)h(huán)境中存在的各種形式能量（如太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、振動(dòng)能等）4為能量受限節(jié)點(diǎn)供能。針對(duì)上面兩個(gè)研究方法，在合理分配通信網(wǎng)絡(luò)資源方面，涉及到時(shí)隙、頻率、及功率的分配，而功率分配最重要。功率

14、分配包含總功率不變時(shí)的分配和節(jié)點(diǎn)功率受限時(shí)的分配。功率分配的優(yōu)化方法要根據(jù)目標(biāo)來(lái)確定5。傳統(tǒng)的能量源（太陽(yáng)能、風(fēng)能、振動(dòng)能等）因其無(wú)法持續(xù)穩(wěn)定的供能，不確定因素較多，不易控制。由于現(xiàn)在我們周?chē)嬖谥罅康纳漕l信號(hào)（蜂窩信號(hào)、Wi-Fi信號(hào)等），因此，較有應(yīng)用前景的是從周?chē)纳漕l信號(hào)中收集能量。相對(duì)于有線通信網(wǎng)絡(luò)，在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，衰落、多徑和節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)等因素都將導(dǎo)致通信環(huán)境較差，這極大地影響了無(wú)線通信的通信質(zhì)量和信息傳輸速率。此外，使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的用戶和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不斷增多，頻譜資源緊缺，這些都要求無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有較高的通信質(zhì)量與傳輸速率。傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)已接近香濃極限了6，為了充分利用無(wú)線通信信

15、道的開(kāi)放性和廣播特性，一種利用通信節(jié)點(diǎn)間協(xié)作行為的技術(shù)出現(xiàn)了，即無(wú)線協(xié)作中繼技術(shù)。無(wú)線協(xié)作中繼技術(shù)可以抵抗信道衰落、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍（用輔助中繼）、改善小區(qū)邊緣特性、消除覆蓋盲點(diǎn)并且可以提高傳輸速率。協(xié)作中繼技術(shù)基本的思想是利用分布在源點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)周?chē)钠渌?jié)點(diǎn)在兩者進(jìn)行通信時(shí)建立多條虛擬的空間路線來(lái)完成信息的傳送。傳送過(guò)程一般分為兩個(gè)階段：一、源節(jié)點(diǎn)將信息同時(shí)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)和中繼中；二、中繼向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的信息。因此，綜合上述技術(shù)背景，在帶有能量收集協(xié)作中繼的多用戶傳輸系統(tǒng)中，研究更佳的傳輸協(xié)議來(lái)降低無(wú)線傳輸系統(tǒng)的中斷概率，將不僅能提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信質(zhì)量，解決無(wú)線通信中的設(shè)備能

16、量受限問(wèn)題，還能一定程度上緩解世界性的能源問(wèn)題以及降低CO2的排放。1.2 研究現(xiàn)狀1.2.1 能量收集技術(shù)能量收集是一種將環(huán)境周?chē)植际侥芰渴占饋?lái)并轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)7。常見(jiàn)的可以用于收集的能量有機(jī)械能（壓電振動(dòng)、人類(lèi)活動(dòng)等）、熱能（地?zé)崮堋?dǎo)體間的溫度差等）、光能（太陽(yáng)能）、電磁能（如射頻信號(hào)）。相比于從傳統(tǒng)能源（太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能等）中收集能量，從周?chē)鷱V泛存在的射頻信號(hào)中收集能量近些年受到了研究者們的熱切關(guān)注。當(dāng)前，國(guó)際上已有不少的高校及企業(yè)針對(duì)射頻能量在無(wú)線傳感器、生物醫(yī)學(xué)電子方面進(jìn)行研究89取得較多的研究成果。在設(shè)計(jì)能量收集裝置中，必須要充分考慮三個(gè)部分：接收部分中的接收天線、靈敏度

17、、接收后能量的轉(zhuǎn)換效率。在接收天線方面，科學(xué)研究者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究做了大量的努力已取得不小進(jìn)步，但是天線的微型化、頻譜帶問(wèn)題仍舊沒(méi)有突破性的進(jìn)展。因?yàn)楝F(xiàn)在許多無(wú)線設(shè)備都在追求小型化，因而天線要想在小設(shè)備中應(yīng)用也必須做到微型化才可解決其占用空間大的問(wèn)題。其次，空中的射頻能量較低，頻帶寬度大，這要求接收天線能夠接收到較大帶寬的射頻信號(hào)。能量收集裝置工作的最大范圍是由裝置的靈敏度決定的。射頻信號(hào)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，這就要求能量收集裝置能夠自動(dòng)適應(yīng)。當(dāng)射頻信號(hào)弱時(shí)，需要高靈敏度的能量收集裝置來(lái)工作。能量收集裝置靈敏度主要是由在接收天線和整流器之間的匹配情況、整流器閾值電壓的大小決定的。靈敏度方面當(dāng)前已獲得了較大

18、的提高，但在需使用數(shù)十級(jí)的整流電路中，芯片的面積過(guò)大，這衍生了一系列其他復(fù)雜問(wèn)題10。能量收集裝置的轉(zhuǎn)換效率受射頻信號(hào)強(qiáng)弱的影響，射頻信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率相應(yīng)的較高，但射頻功率下降時(shí)，效率也降低11。提高能量轉(zhuǎn)換效率的方法主要有補(bǔ)償外部閾值、內(nèi)部閾值和自閾值，這能夠加快MOS管的導(dǎo)通速度。射頻能量收集技術(shù)有兩種基本的結(jié)構(gòu)。一種是由整流天線、儲(chǔ)能元件、DC/CD轉(zhuǎn)換器、負(fù)載組成。第二種是由接收天線、RF/DC整流器、阻抗匹配電路和負(fù)載組成。在發(fā)射源的選擇上，有兩種方法:一、利用周?chē)纳漕l信號(hào)源；二、某些特殊的發(fā)射源，如射頻信號(hào)生成器12。盡管近十多年來(lái)國(guó)際上對(duì)射頻能量收集技術(shù)的研究從未斷過(guò)，

19、但和其他的能量收集技術(shù)相比（太陽(yáng)能、風(fēng)能等）所進(jìn)行的研究還還遠(yuǎn)不夠，距離應(yīng)用還有較大的距離，難點(diǎn)主要在以下幾個(gè)方面：一、電磁能量收集系統(tǒng)的寬頻化；二、天線的尺寸；三、引入功率管理電路適應(yīng)射頻信號(hào)的波動(dòng)性及負(fù)載條件的改變；四、射頻信號(hào)功率密度低、頻率范圍廣與特定發(fā)射源的匹配。從現(xiàn)有的研究和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，當(dāng)前這方面的研究工作在快速進(jìn)行，可以預(yù)見(jiàn)，射頻能量收集技術(shù)在不久的將來(lái)將會(huì)給人類(lèi)生活帶來(lái)重大的改變。1.2.2 協(xié)作中繼技術(shù)協(xié)作中繼技術(shù)的思想來(lái)源于中繼通信，1971年，Van Der Meulen研究了只有三個(gè)終端的無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)13，協(xié)作中繼技術(shù)最早可以追溯到1979年Cover和El Gama

20、l對(duì)中繼信道容量的研究14，其中心思想是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)中空置的天線中轉(zhuǎn)信息，以增加有效空間連接的冗余度來(lái)得到分集增益。典型的中繼結(jié)構(gòu)主要是由源點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)組成,且都工作在相同的頻段。提出了一個(gè)系統(tǒng)可以分為兩個(gè)信道：廣播信道和多址信道，通過(guò)隨機(jī)編碼獲得出了離散無(wú)記憶中繼信道的容界量。現(xiàn)如今，典型的三節(jié)點(diǎn)中繼信道已進(jìn)一步被擴(kuò)展了，如多中繼信道及多中繼多跳協(xié)作模型。當(dāng)前，人們對(duì)協(xié)作中繼的研究方向主要集中在以下幾個(gè)方面：一、中繼位置的選擇，在協(xié)作中繼系統(tǒng)中存在多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，因每個(gè)中繼信道的性能不同，這就需要在多個(gè)中繼中選擇其中幾個(gè)中繼參與信息傳輸，中繼的選擇依據(jù)目標(biāo)的情況來(lái)選擇15；二、多中繼

21、傳輸策略，無(wú)線傳輸系統(tǒng)中存在多個(gè)中繼同時(shí)傳輸信息，這使得目的節(jié)點(diǎn)可以獲得最大的分集增益。Laneman將空時(shí)編碼的思想引入了多中繼系統(tǒng)中，從而獲得了全分集增益16;三、資源分配策略的選擇，主要是對(duì)時(shí)隙、頻率、功率的分配，因各節(jié)點(diǎn)的半雙工模式，單向中繼的頻譜利用率低，雙向中繼能提高對(duì)頻譜的利用17。在由一個(gè)源點(diǎn)，一個(gè)中繼，一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)組成的典型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸模型中，Rankov提出了基于AF和DF協(xié)議的雙向中繼協(xié)作策略，從而提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，增加了頻譜的利用率?，F(xiàn)在，協(xié)作通信技術(shù)的研究問(wèn)題包括以下三個(gè)方向：一、什么時(shí)候進(jìn)行協(xié)作通信,這個(gè)中繼是否參加協(xié)作通信需要根據(jù)直接傳輸路徑與協(xié)作傳輸路徑的質(zhì)量好

22、壞來(lái)決定；二、中繼協(xié)作通信的對(duì)象是誰(shuí)。在一般的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)是大量存在的，當(dāng)源點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸需要中繼的輔助時(shí)，就需要考慮使用哪些中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)輔助信息的傳送，而這個(gè)需要通過(guò)各個(gè)方面（如周?chē)h(huán)境的狀況、節(jié)點(diǎn)自身的情況等）的考慮來(lái)最終確定使用哪些節(jié)點(diǎn)來(lái)輔助；三、中繼如何處理信息。當(dāng)中繼接收到信息后，大致的處理方式有兩類(lèi)：透明中繼和再生中繼18國(guó)際上許多大學(xué)都在對(duì)協(xié)作中繼技術(shù)進(jìn)行研究。如美國(guó)德州大學(xué)的T.E.Hunter博士對(duì)編碼協(xié)作、快衰落以及慢衰落信道的誤比特率進(jìn)行了廣泛的研究。加拿大卡爾頓大學(xué)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)工程系的Halim Yanikomeroglu教授對(duì)資源優(yōu)化分配策略進(jìn)行了研究，并對(duì)多天

23、線協(xié)作中繼系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析。丹麥奧爾堡大學(xué)通信工程系的Frank H.P. Fitzek教授也從另外的方面對(duì)協(xié)作中繼技術(shù)進(jìn)行了研究。1.2.3 論文結(jié)構(gòu)安排論文的主要內(nèi)容安排如下：第二章將詳細(xì)地描述基于功率劃分的協(xié)作多用戶傳輸（PSCMT）協(xié)議并且理論性地分析協(xié)議的系統(tǒng)中斷性能；第三章將提供仿真結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析；最后一章將給出最終的結(jié)論。4第二章 基于功率劃分的協(xié)作多用戶傳輸（PSCMT）協(xié)議第二章 基于功率劃分的協(xié)作多用戶傳輸（PSCMT）協(xié)議本章內(nèi)容安排如下：首先，介紹了無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型；其次介紹了兩種接收機(jī)結(jié)構(gòu)并根據(jù)對(duì)兩種接收機(jī)結(jié)構(gòu)綜合分析確定了本文將采用的接收機(jī)結(jié)構(gòu)；再者

24、提出了PSCMT協(xié)議并對(duì)協(xié)議進(jìn)行介紹；最后對(duì)PSCMT的中斷性能進(jìn)行了分析。2.1 系統(tǒng)模型 考慮如圖2-1所示的一個(gè)系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)是由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)S、兩個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D1、D2以及一個(gè)能量受限的中繼R組成的多用戶協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)。圖2-1 系統(tǒng)模型我們假設(shè)S有自己的內(nèi)部能源供應(yīng)并且要在中繼R的幫助下傳送信息X1到D1、X2到D2。能量受限的中繼R依靠外部來(lái)供電。因此，中繼要從來(lái)自源節(jié)點(diǎn)S發(fā)出的射頻信號(hào)中收集能量并且用所收集的能量來(lái)幫助源節(jié)點(diǎn)S將信息X1，X2分別發(fā)送到D1，D2。我們也假設(shè)所有的終端只有一根天線并且工作在半雙工的模式下。假設(shè)hs,r,hs,1,hs,2,hr,1.hr,2分別表示S到

25、R,S到D1,S到D 2,R到D1和R到D2的復(fù)信道系數(shù)。我們假設(shè)所有的信道是平坦塊衰落信道，且服從瑞利分布。信道模型如下：hs,r CN(0,s,r ),hs,1 CN(0,s,1), hs,2 CN(0,s,2), hr,1 CN(0,r,1)。另外，ds,r,ds,1,ds,2,dr,1和dr,2分別表示S到R,S到D1,S到D2,R到D1,R到D2的距離。因此, s,r=dm s,r，s,1=d-m s,1，s,2=d-m s,2，r,1=d-m r,1，r,2=d-m r,2其中m表示路徑損耗指數(shù)。2.2 接收機(jī)結(jié)構(gòu)在具有能量收集技術(shù)的實(shí)際電路中，還不能夠從接受到的射頻信號(hào)中直接處理

26、信息。由于這潛在的限制，提出了一個(gè)動(dòng)態(tài)功率劃分方案,這使得接收機(jī)能夠在任何時(shí)間t收集能量并且處理信息。通過(guò)功率比例（t）：1-（t）動(dòng)態(tài)地將信號(hào)劃分成兩部分，這兩個(gè)功率劃分因子劃分的兩部分分別是用于能量收集和信息處理，其中0(t)1?？紤]一個(gè)在時(shí)間T（T=NTs）內(nèi)的信息塊傳輸，N表示每塊中傳輸符號(hào)的數(shù)量，Ts表示符號(hào)周期。假設(shè)（t）=k，對(duì)于任何的符號(hào)間隔時(shí)間t(k-1)Ts,k Ts,k=1,.,N。為了方便起見(jiàn)，定義一個(gè)功率劃分向量=1,NT。另外，本文中，我們假定一個(gè)沒(méi)有任何能量損失或噪聲干擾的理想功率分割機(jī)并且接受機(jī)在一個(gè)基于給定向量的發(fā)射機(jī)中可以完美地實(shí)現(xiàn)同步操作。在時(shí)間塊T的傳輸

27、期間，假設(shè)信息接收機(jī)可以工作在兩種模式中：關(guān)閉Toff時(shí)間來(lái)節(jié)省能量，或者開(kāi)啟Ton時(shí)間來(lái)譯碼信息，Ton=T-Toff。在關(guān)閉模式中，信息處理操作的時(shí)間比例用來(lái)表示，01，因此，可以得到Toff=T，Ton=（1-）T。在無(wú)正常損失下，假設(shè)在每個(gè)時(shí)間塊k=1，N,表示底層操作，信號(hào)接收機(jī)工作在關(guān)閉模式。但在開(kāi)啟模式中時(shí)，保留符號(hào)k=N+1，N。為方便起見(jiàn)，假設(shè)在等式中無(wú)論的值是多少，N都是一個(gè)正整數(shù)，事實(shí)上如果N用一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)字這將會(huì)非常接近。下面，研究動(dòng)態(tài)功率劃分的三個(gè)特殊例子，即時(shí)間轉(zhuǎn)換（TS），靜態(tài)功率劃分（SPS）和開(kāi)關(guān)功率劃分（OPS）19l 時(shí)間轉(zhuǎn)換（TS）：在TS中，當(dāng)信息接

28、收機(jī)工作在關(guān)閉模式中的前N個(gè)符號(hào)時(shí)，所有的信號(hào)能量用于能量收集。當(dāng)信息接收機(jī)工作在開(kāi)啟模式中的（1-）N個(gè)符號(hào)中時(shí)，所有的信號(hào)能量用于信息處理。因此對(duì)于TS，有 k=1,k=1,N0,k=N+1,N (1)l 靜態(tài)功率劃分（SPS）：在SPS中，對(duì)于所有N個(gè)符號(hào)，信息接收機(jī)工作在開(kāi)啟模式，=0。再者，用于將信號(hào)劃分為收集能量的功率和傳輸信息的比例對(duì)于所有的N個(gè)符號(hào)設(shè)為一個(gè)常數(shù)。因此，對(duì)于SPS，可以得到k=，k=1,N。l 開(kāi)閉功率劃分（OPS）：在OPS中，所有信號(hào)能量的前N個(gè)符號(hào)階段都用于能量收集。對(duì)于剩下的（1-）N個(gè)階段，劃分信號(hào)能量用于收集能量和轉(zhuǎn)發(fā)信息的比例設(shè)為常數(shù)，0<1。

29、因此，對(duì)于給定的功率劃分對(duì)(,)，得到 k=1,k=1,N,k=N+1,N （2）可以看出，TS和SPS是OPS被0（對(duì)于TS）或者=0（對(duì)于SPS）劃分的兩個(gè)特殊例子下面，將提出兩種類(lèi)型的接收機(jī)來(lái)探索動(dòng)態(tài)功率劃分方案。第一種類(lèi)型叫做分離式信息與能量接收機(jī)，如圖2-2所示，第二種類(lèi)型叫做整合式信息與能量接收機(jī)19，如圖2-3所示。這兩種類(lèi)型的接收機(jī)都用了相同結(jié)構(gòu)的能量接收機(jī)用于收集能量。不同之處在于分離式接收機(jī)中，對(duì)于動(dòng)態(tài)功率劃分的功率分割器是嵌入在圖2-2中能量接收機(jī)的射頻信號(hào)帶中的A點(diǎn)，但在整合式接收機(jī)中，功率分割器是嵌入在基帶中的點(diǎn)。只考慮分離式信息與能量接收機(jī)的例子，像在圖2-2中所展

30、示的，功率分割機(jī)嵌入在A點(diǎn)，為了接收信號(hào)y(t)能夠被在射頻信號(hào)帶中的功率等級(jí)指定因子(t)分為兩個(gè)部分的信號(hào)。這樣，傳統(tǒng)的能量接收機(jī)和信號(hào)接收機(jī)能夠同時(shí)收集能量、傳輸信息。圖2-2 分離式信息與能量接收機(jī)結(jié)構(gòu) 圖2-3整合式信息與能量接收機(jī)結(jié)構(gòu)通過(guò)比較上述兩種接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文選擇了以分離式信息與能量接收機(jī)為基礎(chǔ)優(yōu)化后的接收機(jī)。圖2是接收機(jī)的結(jié)構(gòu)，接收到的信號(hào)yr在中繼天線上被功率分割機(jī)以:1-劃分為了兩個(gè)部分，部分用于能量收集，部分則輸入到了信息接收機(jī)中20。nr,anr,c是中途加入的噪聲，nr,a是接收天線引入的窄帶高斯噪聲，而nr,c是射頻信號(hào)到基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中引入的抽樣附加噪聲

31、。圖2-4接收機(jī)原理圖2.3 PSCMT協(xié)議描述表2-1解釋了在PSCMT協(xié)議中信息傳輸過(guò)程和在PSCMT協(xié)議中的關(guān)鍵參數(shù)。如表3-1所示，傳輸是通過(guò)三個(gè)階段來(lái)完成的，假設(shè)總的傳輸時(shí)間為T(mén)，每個(gè)階段持續(xù)的時(shí)間為T(mén)/3。在第i(i=1,2)個(gè)階段中，S用功率Pi傳送信息Xi，D1、D2和R都能夠接收到信號(hào)。 部分的能量用于S到R的信息傳輸，其中0<𝛼i<1,表示功率劃分因素，另一部分則用于R的能量收集。在第三階段中，中繼首先合并在前兩個(gè)階段接收到的信號(hào)，然后利用從S中收集到的能量用于在T/3時(shí)間內(nèi)傳輸聯(lián)合信號(hào)Xr 。 表2-1 PSCMT 協(xié)議中的關(guān)鍵參數(shù)第1階段第2

32、階段第3階段T/3T/3T/3R從S中收集能量()R從S中收集能量()R發(fā)送信息Pr()S發(fā)送信息X1()S發(fā)送信息X2()2.4 PSCMT協(xié)議的中斷概率分析由表可知，在第i（i=1,2）階段中，S用功率Pi傳輸信息Xi。Di接收信號(hào)ys,i ,Dj接收信號(hào)rs,j(j=1,2,i不等于j),其值分別如下： （3） （4） ns,i和vs,j是在Di 、Dj中的附加高斯白噪聲，ns,i CN(0,1) 且vs,j CN(0,1)?？梢钥闯鰕s,i是Di要得到的信號(hào)，但rs,j 是可以幫助Dj 在第三階段中通過(guò)R傳輸?shù)幕旌闲盘?hào)中譯碼出Xi21。第i個(gè)階段結(jié)束時(shí)，在中繼接收機(jī)處理后，R的抽樣基帶

33、信號(hào)如下給出 （5）其中nr,i是中繼R中的加性高斯白噪聲，nr,i CN(0,1)。在第i(i=1,2)個(gè)階段結(jié)束后，R從S中收集到的能量表示如下 （6）其中，0<1表示能量轉(zhuǎn)換效率，0ai1(i=1,2)表示功率劃分因素 。在前兩個(gè)階段之后，中繼從S收集的總能量為E1+E2。R在第三階段的發(fā)射功率為 (7)在第三個(gè)階段, 先合并兩個(gè)信號(hào)y r,1 和y r,2 作為XR并且用功率Pr傳輸聯(lián)合信號(hào)XR，合并規(guī)則如下：在一個(gè)具有兩個(gè)不同目的點(diǎn)S1、S2和L個(gè)中繼R(=1,.,L)的系統(tǒng)中，每個(gè)中繼有一根天線并且工作在半雙工模式中，中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，其他的變量和系統(tǒng)模型中的類(lèi)似。在模擬

34、網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)議的第一個(gè)時(shí)間隙中，S1和S2在多個(gè)信道中同時(shí)傳輸它們的信息x1和x2。中繼R收到的信號(hào)r為： (8)是S1和S2的發(fā)射功率，ni是Ri中的加性高斯白噪聲，nCN（0,1）。在第二個(gè)時(shí)間隙，R通過(guò)放大系數(shù)放大信號(hào)ri然后在傳輸信道上發(fā)送到S1和S2，Si接收到的信號(hào)yi, ，yi,的表達(dá)式如下： (9)是中繼R的傳輸功率，vi,是Si的加性高斯白噪聲，vi,CN（0,1）（i=1,2）。為了保證R的發(fā)射功率是，放大系數(shù)應(yīng)當(dāng)如下表示： (10)對(duì)所有的在上式分析中將非常困難，常用的做法是采用近似值，因此表示如下 (11)由以上分析可得，XR的表達(dá)式如下： (12)其中i (i=1,2)

35、表示R合并yr,1 和yr,2的系數(shù)。其值選擇如下： (13) 0<i<1(i=1,2 ), 且1+2=1 上式中選取近似值的方法在此類(lèi)文章經(jīng)常采用22。可以看出Xr總是有統(tǒng)一無(wú)關(guān)的i。在合并前兩個(gè)階段接收到的信號(hào)后，R用功率Pr發(fā)送Xr , Di接收到的信號(hào)為： (14)nd,i是Di中的加性高斯白噪聲，nd,iCN（0,1）。在去除干擾信號(hào)yd,2后，D1可以得到無(wú)干擾信號(hào)如下： (15)將（7）的Pr帶入到（15）中，并用（13）的近似值，yd,1的瞬時(shí)SNR1如下： (16)D1采用最大比例聯(lián)合(MRC)23。最大比例聯(lián)合（MRC）是一種多樣性聯(lián)合的方法，相同發(fā)射信號(hào)的不同

36、副本加在一起來(lái)增強(qiáng)目的點(diǎn)接受信號(hào)的信噪比。從S到D1直接鏈路的瞬時(shí)SNR表示為 從S到D1到互信息量I1可以表示為 (17)上式中取值常數(shù)2/3是由于在三個(gè)階段中傳輸了兩個(gè)新信號(hào)24。因此，中斷概率可以這樣計(jì)算 (18) 定理：給定一個(gè)目標(biāo)傳輸比例Rt，多用戶協(xié)作傳輸系統(tǒng)PSCMT協(xié)議的中斷概率可以用(18)來(lái)計(jì)算，其中， ，c=1。因此，中斷概率的最終表達(dá)式為： （19）可以通過(guò)獲取的最優(yōu)值，從而獲得最低的系統(tǒng)中斷概率。但是由于在中的具體表達(dá)式涉及到貝塞爾函數(shù)和積分，因此，很難獲得最佳的閉形表達(dá)，但是，對(duì)于給定的系統(tǒng)配置參數(shù)，像源點(diǎn)發(fā)射功率和中繼位置，其最佳值可以通過(guò)數(shù)值分析最佳的的值來(lái)獲得

37、。2.5 本章小結(jié)本章研究了在無(wú)線協(xié)作多用戶傳輸系統(tǒng)中所提出的PSCMT協(xié)議，分析了該協(xié)議對(duì)于無(wú)線傳輸系統(tǒng)性能的影響。首先，在基于傳統(tǒng)三節(jié)點(diǎn)的傳輸模型中，增加了一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)來(lái)代表多用戶模型。其次，提出PSCMT協(xié)議使得中繼能夠?qū)崿F(xiàn)能量與信息的同傳。再者，分析了協(xié)議給系統(tǒng)帶來(lái)的性能影響，并通過(guò)理論分析得到了系統(tǒng)中斷概率的具體表達(dá)式。 第四章 總結(jié)與展望 第三章數(shù)值仿真及分析在這部分中，通過(guò)用MATLAB進(jìn)行仿真來(lái)證實(shí)我們?yōu)槎嘤脩魝鬏斚到y(tǒng)提出的PSCMT協(xié)議對(duì)系統(tǒng)中斷概率理論分析的正確性。再者，也討論了源點(diǎn)發(fā)射功率和中繼位置對(duì)系統(tǒng)互信息量和中斷性能的影響。假設(shè)Rt=1bit/sec/Hz,=1,P

38、1=P2=Ps,m=4（這一數(shù)值在城區(qū)的情況中普遍適用22）和歸一化為1。類(lèi)似地令1=2=。D1和D2之間的距離歸一化為1，R放置在由S,D1，D2組成三角形的高上，如圖3-1所示： 圖3-1 中繼位置示意圖3.1 功率劃分因子對(duì)系統(tǒng)中斷概率的影響在這一小節(jié)中，為了驗(yàn)證我們對(duì)定理中中斷概率進(jìn)行分析所得出的表達(dá)式是正確的， 將用蒙特卡洛算法對(duì)系統(tǒng)中斷概率進(jìn)行10000次蒙特卡洛仿真。其中Ps分別取了10dB和20dB。仿真結(jié)果圖如圖3-2所示。由圖3-2可以看出，在0.5左右時(shí)有最低的中斷概率。 3-2 中斷概率仿真。其他的參數(shù):ds,r=0.53.2 源節(jié)點(diǎn)功率對(duì)系統(tǒng)中斷概率的影響圖3-3畫(huà)出

39、了PSCMT協(xié)議中，從源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D1進(jìn)行傳輸過(guò)程中互信息量與的關(guān)系?？梢钥闯鲭S著的增大，互信息量也增加。 圖3-3 與不同的10log10Ps對(duì)應(yīng)的互信息量I圖3-4畫(huà)出了不同下的最佳中斷概率，我們將其和傳統(tǒng)的非協(xié)作方法做了比較。從圖3-4中可以看出，在獲取更低的中斷概率時(shí)，PSCMT協(xié)議比傳統(tǒng)非協(xié)作方法性能更佳。再者，在更高的區(qū)域中，隨著增加， PSCMT協(xié)議比傳統(tǒng)的非協(xié)作方式下降地更快。這是因?yàn)殡S著源點(diǎn)發(fā)射功率的增加，用于收集的能量以及發(fā)射信號(hào)的能量更多了，相應(yīng)的信噪比增大了，因此，中斷概率更小。 圖3-4 對(duì)于不同對(duì)應(yīng)的最佳系統(tǒng)中斷概率3.3 中繼位置對(duì)系統(tǒng)中斷概率的影響圖3-5

40、展示了互信息量I與源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的歸一化距離ds,r的關(guān)系圖3-5 互信息量I與ds,r關(guān)系圖3-6展示了最佳的中斷概率與ds,r的關(guān)系，從圖3-6可以看出，最佳中斷概率隨著ds,r的增加而增加。這是因?yàn)殡S著距離ds,r的增加，再信號(hào)到達(dá)中繼前衰落的更多，中繼用于能量收集和傳輸信號(hào)的能量更少了，因此，信號(hào)到達(dá)目的點(diǎn)的中斷概率將增大。這也表明了要想得到更低的中斷概率時(shí)，最好選擇更靠近源點(diǎn)的中繼。 圖3-6 對(duì)不同的ds,r最佳的系統(tǒng)中斷概率3.4 本章小結(jié)本章通過(guò)仿真研究PSCMT協(xié)議中功率劃分因子、源點(diǎn)發(fā)射功率和中繼位置對(duì)無(wú)線通信信道中互信息量及中斷性能的影響。仿真結(jié)果顯示：在功率分配因子增

41、大，中斷概率減??；隨著源點(diǎn)發(fā)射功率的增大，該協(xié)議的系統(tǒng)中斷概率下降；隨著相對(duì)距離ds，r的增加，協(xié)議的系統(tǒng)中斷概率增大。這是因?yàn)?，因此，在?shí)際的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)中，為了獲得更佳的傳輸性能，應(yīng)該盡可能大地源點(diǎn)發(fā)射功率，中繼選擇離源點(diǎn)較近的位置來(lái)進(jìn)行協(xié)作傳輸。 第四章 總結(jié)與展望本部分對(duì)本文的結(jié)果做了最終的總結(jié)，概述了論文要點(diǎn)，并結(jié)合當(dāng)前的情況對(duì)未來(lái)這方面的研究進(jìn)行了展望。4.1 總結(jié)在本文中，我們研究了帶有能量收集協(xié)作中繼的多用戶傳輸網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)采用功率劃分接收機(jī)結(jié)構(gòu)，我們先為多用戶傳輸系統(tǒng)提出了一個(gè)協(xié)作協(xié)議： PSCMT協(xié)議，然后得出了這個(gè)協(xié)議的系統(tǒng)中斷概率具體表達(dá)式。其次，我們也討論了不同的系統(tǒng)參

42、數(shù)，如功率劃分因子、源點(diǎn)發(fā)射功率和中繼位置對(duì)系統(tǒng)中斷性能的影響。仿真結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的非協(xié)作方法，我們提出的協(xié)議可以在不增加外部能量消耗的同時(shí)獲得更低的系統(tǒng)中斷概率。4.2 展望論文研究了在一個(gè)具有一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，一個(gè)能量受限的中繼和兩個(gè)目的節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，結(jié)合能量收集技術(shù)和協(xié)作中繼技術(shù)，提出了一種傳輸協(xié)議：PSCMT協(xié)議，并分析了該協(xié)議帶來(lái)的影響，但仍有較多的工作有待于進(jìn)一步深入與完善。未來(lái)的研究可以從下面幾個(gè)方向進(jìn)行：（1）考慮實(shí)際系統(tǒng)能量消耗下PSCMT協(xié)議的性能分析。本文是假設(shè)在理想狀態(tài)下，系統(tǒng)不存在其他的耗能，但在實(shí)際情況中，轉(zhuǎn)換效率不可能100%。其次，硬件電路自身存在各

43、方面的損耗。（2）用戶位置隨機(jī)性下PSCMT協(xié)議的性能分析。文中是假設(shè)接收點(diǎn)在整個(gè)信息接收過(guò)程的位置是不變的，而在實(shí)際情況下，因?yàn)橛脩粑恢玫囊苿?dòng)使得用戶位置的不確定性將會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，未來(lái)的研究應(yīng)考慮用戶移動(dòng)情況下PSCMT協(xié)議的性能分析。（3）在用戶數(shù)眾多、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)下PSCMT協(xié)議的性能分析。本文是單中繼，兩個(gè)用戶的情況，但在實(shí)際無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，用戶數(shù)量是龐大的。此外，用戶和中繼的位置也是較遠(yuǎn)的，路徑損耗的影響較大。因此需要多點(diǎn)協(xié)作來(lái)減小影響，這將為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。參考文獻(xiàn)1 X. Wang, A.V. Vasilakos,M. Chen, Y. Liu, and T.T.

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