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非正交多址接入无线能量采集协作系统.docx
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非正交多址接入无线能量采集协作系统.docx
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1 引言
多址接入(,)技术在无线通信的发展中起着重要的作
用。在最近提出的 技术中,非正交 (,)引
起了人们极大的兴趣
。允许多个并发传输,通过控制发射功率(功率域
)
或 星 座 的 稀 疏 编 码 ( 稀 疏 码 多 址 接 入 (
,))
,使用户在可用资源上获得最大收益,同时最大限度地减
少干扰。 尽 管 有一定的 优势, 但复 杂的星 座设 计 和检 测算 法 阻碍 了
的适用性。为了解决这个问题, 等
提出了另一种新颖的上行
链 路 技 术 , 称 为 基 于 索 引 调 制 的 (
,!)。! 中的每个用户都可以单独选择自己的时隙,而不需要任
何中央管理或调度,时隙可以在两个或多个用户之间共享。因此,与 和传
统功率域 方案相比,在误码率("#$%)和服务用户数量方
面显示出优异的性能。!的创新点是利用正交资源,例如时隙、频率等构
建 块 , 作 为 索 引 星 座 图 , 并 对 每 个 用 户 使 用 索 引 调 制 (
,!)和 技术。在 ! 中,多个时隙被认为是一个额外的星
座图,用来传递额外的数据位。具体来说,每个用户发送一个数据位块,其中
一组数据位调制特定时隙。另一组比特进行常规符号调制,并且在第一组比特
确 定 的 特 定 时 隙 上 发 送 。 在 接 收 端 , 采 用 最 大 似 然 (
&,')检测算法来进行解调。另外,!系统中多个用户是同时传
输 各 自 消 息 的 , 相 比 () , 大 大 提 高 了 系 统 的 频 谱 效 率 。 继 ! 后 ,
等
*
又 提 出 了 一 种 增 强 型 ! , 称 为 正 交 索 引 调 制 多 址 接 入
(+!,,!),允许每个用户将调制符号的同相和正交部分
分 别 在 各 自 时 隙 中 激 活 , 并通 过 激 活 时 隙 传 输 数 据 。 因 此 , 相 比 ! ,
,!提高了用户的频谱效率,同时保留了 !方案的固有优势,且接收端
在检测时,与 !一致都要检测调制符号的索引值,但时隙索引值的检测,
比 ! 多一个维度。
然而,目前研究的 ! 或 ,! 技术都基于集中式 ! 系统,不利
于边缘用户的信息传输。而协作中继利用网络中的中继或空闲节点,通过多用
户 间 的 信 息 共 享 , 形 成 虚 拟 的 多 输 入 多 输 出 (
,!)而实现分集增益,以便对抗通信环境中的多径衰落,扩展通信
距离和提高信息传输质量,因此本文对 ,!系统引入了协作中继的思想。
但是协作系统中继处需对大量用户的信息进行译码转发,存在能量消耗大的问
题,一个有效的解决方案是 -!.( 技术
/
,即将射频(0+1,%2)
信号同时用于传递能量和传输信息,该方法可以克服电池寿命有限的问题,已
成为能量受限无线网络中一种有吸引力的策略。使用 -!.( 技术的中继将接收
的信号一部分进行能量采集,用于中继将信息传输到目的端,另一部分进行信
息译码转发。当前,人们广泛采用两种不同的 -!.( 协议,即功率切割接收机
( 3 4 , .% ) 和 时 间 切 割 接 收 机 (
4,(%)。
对此,本文研究了一种基于功率切割 -!.( 协议下的 ,! 技术在协作
通信系统的应用,记作 ,!-!.(。,!-!.( 系统的优势主要有
点:一是与传统 协作系统比较,可容纳更多的用户数,并且相同用户数
下的误码率性能更好;二是相比传统功率域 ,其实现复杂度有所降低,
原因在于不需要使用连续干扰消除技术
5
;三是在 ,!系统中,由于每个用
户激活的时隙存在碰撞,因此有一部分时隙是始终未激活的,这一方面造成了
资源浪费,另一方面,当碰撞概率很高时,多个用户通过同一时隙传输,也增
加了解调时的复杂度并且可能出现资源过载的情况,而 -!.( 可利用未激活的
时隙进行能量采集,可有效利用资源。最后对此系统性能进行了详细分析,并
推 导 了 理 论 上 界 。 仿 真 结 果 表 明 , 与 最 近 研 究 比 较 多 的 -!.( 和
!-!.(相比,,!-!.(在频谱效率和抗噪性能方面都有绝对的优
势。另外,本文就功率分配因子和中继位置对协作 ,!-!.( 的性能影响
也进行了深入的分析。
2 索引调制多址协作系统
考虑一个双跳多址协作系统,其中所有用户都配备单根天线,如图
所示。
假设信源()和目标())节点之间没有直接连接,仅通过中继(%)节点来
进行通信。中继节点 % 将从 接收的数据译码后向 ) 转发。假设 拥有 个用
户和 ' 个时隙,中继节点配备一根接收天线和
根发射天线,) 配备
根接收
天线,并在半双工模式下工作。假设译码转发(03,)2)中
继没有外部电源,所需功率可通过能量采集(14,$6)实现,
此外,假设在 % 的数据处理过程中所消耗的功率可以忽略不计。
信源中继(%)和中继目的地(%))链路服从准静态独立瑞利衰落信
道。源和中继之间的距离由
表示,而中继和目的地之间的距离由
给出。每
条链路的路径损耗指数分别用 7
和 7
表示。假定信道衰落系数在一个块传输时
间(()内保持不变,但在一个块到另一个块之间独立变化。
传输包括两个阶段,在第一阶段中,源节点通过 %链路向中继发送信息。
信源处采用 ,!方案,在该方案中,每个用户发送一个 8
'
9位块,其中,
表示常规调制符号阶数。图
中,输入位被分成 个部分:
、' 和
' ; 第 一 块
比 特 流 被 映 射 到 一 个 传 统 的 星 座 符 号 :
s=sRe+j⋅sIm:%;<⋅!=;其余两块 ' 和 ' 分别用于选择时隙索引向量
ei 来传输星座符号的实部
%
,以及时隙索引向量 ek& 来传输虚部
!
,其中,
ei,ek∈RL"&∈%',i,k∈{1,⋯,L}"&∈>"⋯"'?,分别表示单位矩阵 IL!' 的
第 和 & 列向量。换句话说,它们分别用于激活特定时隙来传输所得的星座符号
的 实 部 sRe% 和 虚 部 sIm! 。 最 后 , 通 过 把 实 部 sRe∙ei%@ 和 虚 部
sIm⋅ek!⋅& 相加,得到一个发射空间向量 XA:
图 1
图 1QIMMA-SWIPT 系统框图
X=sRe⋅ei+j⋅sIm⋅ek (1)A:%⋅;<⋅!⋅& 89
在中继端,第 个时隙接收到的信号可以表示为:
yl=∑n=1Nhnlsnl+nl (2)1:B:; 89
其 中 , snl 是 第 个 用 户 在 第 个 时 隙 上 发 送 的 信 号 , ( 即
snl=xn(l): 89),xn 表示来自第 个用户的传输矢量。
是均值为 C、
方差为 D
的加性高斯白噪声。因此,接收的信号向量 y1 为:
y=diag(H1X)+N (3)1:86A9; 89
其中,8⋅9表示对角线算子,其中,H16 是 % 之间的 'E 维信道矩
阵 , 且 X=[x1x2⋯xN] TA: ⋯ F(=, N=[n1n2⋯nL] T:⋯'F
(,用 8⋅9=
(
表示转置算子。
根 据 .% 协 议 , 将 中 继 分 为 两 部 分 , 分 别 支 持 $6 和 信 息 译 码
(0,!))操作。将信源的发射功率记为 .
,假设 $6需要
G.
,那么,(1−ρ)Ps8HG9.=用于信息解码,其中 CIGI 表示功率切割系数。
假设中继在将信号转发到目的地时消耗所有采集的能量。
因此,在中继处接收到的 $6信号如下:
yEH=ρPsdζ11−−−√diag(H1X)+N (4)1$6:G.786A9
; 89
基于式(),由参考文献5
可知,第一阶段在 % 处获得的能量可以写成:
εH=βρPsT2dζ11∥H1∥2F (5)J6:KG.(7L6L2 8*9
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