硬件損傷條件下的能量采集中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能分析

李 超，郭道省，郭克鋒

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

硬件損傷條件下的能量采集中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能分析

李 超，郭道省，郭克鋒

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

能量采集技術(shù)在能量資源有限的背景下得到業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究，并已取得了豐碩成果?？紤]到實際系統(tǒng)中硬件很難達到理想狀況，會不可規(guī)避地存在各種損耗，從而對通信過程產(chǎn)生諸多影響，將這些影響統(tǒng)一等效為硬件自身的等效噪聲，將其定義為硬件損傷?？紤]了硬件損傷條件下的能量采集系統(tǒng)，兩個時隙里，中繼采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)和功率分割的能量收集策略，并就中斷概率作為分析指標(biāo)，對于系統(tǒng)的整體傳輸性能進行了衡量并做了簡要的分析。分析的準確性和可行性由Monte-Carlo仿真結(jié)果予以證實。

中斷概率；中繼網(wǎng)絡(luò)通信；能量采集；譯碼轉(zhuǎn)發(fā)；硬件損傷

Abstract: Energy harvesting technique attracts a lot of attention with abundant of excellent works done already. For some further insights, we consider the condition that in the real wireless communication system, the hardware can not be easily assumed ideal, and the impairments do exist and can not be avoided by some engineering way. That makes a negative influence on the transmitting processing, which is non-ignorable. Thus, all the factors that have influence on the communication caused by the non-ideal hardware are summed up to be regarded as the equivalent noise themselves, defined as hardware impairments. The energy harvesting relay system under hardware impairments is investigated in this paper. In the consider of two-hop model, the decoding and forwarding (DF) protocol and power splitting strategy is chosen in the relay node. To give a numerical analysis result, the outage probability is picked out to be the evaluation standard metric, with the closed-form expressions derived in this paper also. In addition, Monte-Carlo simulation results verifies the correctness of this paper.

Key words:outage probability; relay communication networks; energy harvesting; DF; hardware impairments

0 引言

高頻信號繞射能力差、覆蓋面有限，中繼系統(tǒng)憑借其優(yōu)越的通信可靠性和良好的通信的覆蓋能力得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[1-4]。除了頻譜資源短缺，能量是另一個制約無線通信技術(shù)發(fā)展的主要因素。為延長系統(tǒng)的工作壽命，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和提高能量效率，能量采集這一技術(shù)應(yīng)運而生，目前在無線中繼系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。

在能量采集中繼系統(tǒng)中，信號接收端盡可能地收集信號發(fā)射端傳來的可用能量并服務(wù)于下一步通信。這種能量收集的可能性主要基于射頻信號既能傳播信號也可以穩(wěn)定傳播能量，文獻[7-8]就提出了無線瞬時信號能量同傳(SWIPT)的概念。而根據(jù)能量收集的策略不同，又分為了功率切割(power splitting)和時隙切割(time switching)，前者將收集到的信號分為能量收集和信息傳遞兩個部分，后者則將時隙分兩個部分來分別傳輸信號和能量。

相較于傳統(tǒng)的能量受限中繼系統(tǒng)，能量采集系統(tǒng)可以在設(shè)備電池以外獲取能量進行工作，保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性的同時，還可以有效地延長電池的使用壽命。因此相關(guān)領(lǐng)域已涌現(xiàn)出大量成熟文獻，文獻[9]基于單輸入單輸出SISO(Single-In-Single-Out)系統(tǒng)研究了能量采集中繼通信系統(tǒng)，文獻[10]則進一步擴展至多輸入多輸出MIMO(Multiple-In-Multiple-Out)場景。能量采集在效能上的優(yōu)勢和巨大潛力，激發(fā)了當(dāng)下人們巨大的研究熱情。

然而，在無線通信、中繼通信發(fā)展日漸繁榮的同時，用戶對于通信質(zhì)量的要求也在不斷提高。目前已知的研究大多是在理想的硬件條件下進行的分析，忽略了實際通信中不可規(guī)避的會導(dǎo)致通信質(zhì)量受損的諸多元素，其中，受限客觀自然環(huán)境和生產(chǎn)工業(yè)水平而導(dǎo)致的硬件損傷成為時下研究熱點。硬件損傷是近來提出的一個等效噪聲的概念。把通信設(shè)備端自身產(chǎn)生并難以消除的系列有損通信質(zhì)量的諸多因素，包括I/Q支路不平衡、非線性功放產(chǎn)生的等效噪聲以及射頻電路噪聲等，等效到硬件自身后統(tǒng)一定義為硬件損傷[11]。同時在文獻[11]中，硬件損傷對于三節(jié)點通信系統(tǒng)模型的明顯影響得到了可靠理論證明。受到之前的突破性工作啟發(fā)，本文首先考慮雙跳能量采集中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，選用功率分割為能量采集策略；然后以中斷概率為性能分析標(biāo)準，給出了Rayleigh信道下的相應(yīng)的閉合表達式及漸進表達式；接著通過比較不同的影響因子方案下的性能分析，研究硬件損傷對于系統(tǒng)的影響，同時對于功率分割中的功率分配、時隙分配等現(xiàn)實問題提供有力參考；最后，所有的理論分析皆由仿真結(jié)果驗證。

1 系統(tǒng)與信道模型

不考慮源節(jié)點S和目的節(jié)點D之間的直傳鏈路，假設(shè)信號的傳播只能借由中繼節(jié)點R進行譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，考慮的系統(tǒng)模型如圖1所示。當(dāng)中繼節(jié)點受到來自源端的射頻信號時，并非所有的信號被以信息的方式轉(zhuǎn)發(fā)給了目的端。這里假設(shè)中繼可以同時對信號進行能量收集和信號轉(zhuǎn)發(fā)的工作，那么收到的信號將會按照一定比例進行分配，其中占重λ的射頻信號作為能量收集的來源，轉(zhuǎn)化為中繼下一步轉(zhuǎn)發(fā)信號時的能量，同時余下的將攜帶信息在中繼處進行接收、編碼并在下一個時隙進行轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)然并非所有接收到的能量都能服務(wù)于下一次的通信過程，這是源于能量采集有一定的轉(zhuǎn)化效率，定義為η，即被用作采集源的能量只有η的能量最終轉(zhuǎn)化為可用能源。

圖1 系統(tǒng)模型

不同于時隙切割的采集方式，能量采集和信號轉(zhuǎn)發(fā)可以同時進行，不會占用額外的時隙。系統(tǒng)由兩個時隙組成，第一個時隙ρT里中繼完成對接受信號的能量采集、信息攫取并編碼，下一個時隙(1-ρ)T完成向目的節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)工作。其時隙組成圖如圖2所示。

圖2 時隙劃分

(1)

中繼端采取的能量采集策略為功率切割，那么可將發(fā)射端的功率分為兩個部分，其中Ph表示發(fā)射不攜帶信息只發(fā)送能量的的射頻信號所需要的功率，反之，Ps為只攜帶信息的射頻信號的發(fā)送功率：

Ps=(1-λ)P

(2)

Ph=λP

(3)

根據(jù)式(2)，將能量采集中繼系統(tǒng)下的中繼獲取傳輸信息的接收信號ysp的表達式重新調(diào)整為：

(4)

其中，q1為第一時隙內(nèi)的相關(guān)鏈路的信道增益，k1為源端到中繼端的等效硬件損傷程度描述參數(shù)，N1為中繼端處的高斯白噪聲功率。中繼接收信息的同時進行了能量采集，采集部分可轉(zhuǎn)化的能量則可以表示為：

Eeh=ηTρPλq1=Pr(T-Tρ)

(5)

(6)

2 系統(tǒng)性能分析

為了對系統(tǒng)性能進行量化分析，本文選用了中斷概率作為衡量指標(biāo)。本節(jié)內(nèi)容就分析指標(biāo)列出了嚴格的閉合表達式，并給出了詳盡的推理過程。

2.1系統(tǒng)的終端對終端SNDR

系統(tǒng)采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)議，根據(jù)文獻[11]，可得相應(yīng)情況下系統(tǒng)的終端的對終端的SNDR，即：

γe=min{γ1,γ2}

(7)

其中的γ1和γ2分別表示系統(tǒng)中第一時隙和第二時隙里的SNDR，且它們的表達式可結(jié)合式(4)、式(6)分別表示為：

(8)

(9)

2.2性能分析

為了實現(xiàn)穩(wěn)定傳輸，對于系統(tǒng)SNDR一定會有一個閾值的要求，即假定系統(tǒng)的瞬時SNDR低于一個既定的門限值時，系統(tǒng)將無法實現(xiàn)穩(wěn)定傳輸，定義為通信中斷。實際傳輸系統(tǒng)中，系統(tǒng)瞬時SNDR不可避免地會有一定的概率降到門限值以下，這個概率就是中斷概率。如若設(shè)定門限值為x0，其表達式可以表達如下：

Pout(γe

Pout(γ2

(10)

式中Pout(γ1≤x0),Pout(γ2≤x0)分別表示第一、第二時隙里的SNDR低于系統(tǒng)穩(wěn)定傳輸門限值的概率，其具體表達式如(11)、式(12)所示。

又由前面分析的系統(tǒng)中斷概率可知，γe的中斷概率CDF(Cumulative Distribution Function)即所求中斷概率,如式(13)所示。

(11)

(12)

(13)

3 仿真結(jié)果

通過前文的分析，本節(jié)內(nèi)容以仿真進行實現(xiàn)，并對結(jié)果的準確性加以論證。其中的SNR-dB定義為相應(yīng)鏈路的發(fā)射功率與高斯白噪聲比值。沒有圖例特殊說明時，考慮硬件損傷程度k1=k2=k=0.2，功率分割因子為0.5，時隙劃分參數(shù)為0.5，采集能量轉(zhuǎn)化效率為0.3。

圖3 理想硬件與硬件損傷條件下的中斷概率對比

4 結(jié)論

本文基于硬件損傷條件對于中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能進行了分析。SISO與MIMO系統(tǒng)中斷概率對比如圖4所示。通過理論推導(dǎo)以及仿真驗證可以看出，MIMO系統(tǒng)相對SISO系統(tǒng)在提高接收增益上有著明顯的優(yōu)勢，天線增加越多，系統(tǒng)中斷概率越低，但不能忽視的是可能需要為此付出的代價，即硬件損傷的增加和能量效率的降低。仿真過程中也可明顯看出，發(fā)射端的功率對于系統(tǒng)性能有明顯的影響，功率分配對于實際系統(tǒng)設(shè)計有著深刻意義。

圖4 SISO與MIMO系統(tǒng)中中斷概率對比

[1] SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. User cooperation diversity. Part I. System description[J]. IEEE Transactions on Communications, 2003, 51(11):1927-1938.

[2] SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. User cooperation diversity. Part II. Implementation aspects and performance analysis[J]. IEEE Transactions on Communications, 2003, 51(11):1939-1948.

[3] Li Qinghua, LIN X E, Zhang Jianzhong, et al. Advancement of MIMO technology in WiMAX: from IEEE 802.16d/e/j to 802.16 m[J]. IEEE Communications Magazine, 2009, 47(6):100-107.

[4] Zhang Xing, Chen Feng, Wang Wenbo. Outage probability study of multiuser diversity in MIMO transmit antenna selection systems[J]. IEEE Signal Processing Letters, 2007, 14(3):161-164.

[5] LUMPKINS W.Nikola Tesla’s dream relaized:wireles power energy harvesting[J].IEEE Consumer Electronics Magazine，2014，3(1):39-42.

[6] PINUELA M，MITCHESON P，LUCYSZYN S.Ambient RF energy harvesting in urban and semi-urban environment[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2013，61(7):2715-2726.

[7] VARSHNEY L R. Transporting information and energy simultaneously[C]. IEEE International Symposium on Information Theory, 2008: 1612-1616.

[8] GROVER R, SAHAI A. Shannon meets Tesla: wireless information and power transfer[C]. IEEE International Symposium on Information Theory, 2010: 2362- 2367.

[9] Zhou Xun, Zhang Rui, HO C K. Wireless information and power transfer: architecture design and rate-energy tradeoff[J]. IEEE Transactions on Communications, 2013,61(11): 4754-4767.

[10] Zhang Rui, HO C K. MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2013,12(5): 1989-2001.

[11] BJORNSON E, MATTHAIOU M, DEBBAH M. A new look at dual-hop relaying: performance limits with hardware impairments[J]. IEEE Transactions on Communications, 2013, 61(11):4512-4525.

[12] BRANTE G, STUPIA I, SOUZA R D, et al. Outage probability and energy efficiency of cooperative MIMO with antenna selection[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2013, 12(11):5896-5907.

Performance analysis of energy harvesting communication network with hardware impairments

Li Chao, Guo Daoxing, Guo Kefeng

(College of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

TN925

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.018

李超，郭道省，郭克鋒.硬件損傷條件下的能量采集中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能分析[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(18)：59-62.

2017-02-26)

李超(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星通信、協(xié)同通信。

郭道省(1973-)，男，博士研究生，教授，主要研究方向：衛(wèi)星通信、無線通信。

郭克鋒(1990-)，男，博士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星通信、協(xié)同通信。