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能量收集认知多跳中继网络中断性能分析及优化.docx
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能量收集认知多跳中继网络中断性能分析及优化.docx
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1. 引言
为了使能量受限无线系统实现自持运行,射频能量收集(Radio Frequency Energy
Harvesting, RF-EH)技术
[1,2]
在近几年得到深入研究。随着源节点和目的节点间距增大,两跳
中继网络(Relay Networks, RNs)已不能满足通信要求
[3]
,因此近来具有 RF-EH 的多跳 RNs
已引起广泛关注。文献[4]讨论了采用携能通信方式以及两种中继协议从相邻节点收集能量
的多跳 RNs 最大吞吐量。同时为了提高频谱利用率,认知无线电与多跳 EH-RNs 结合,形
成了新的能量收集认知多跳中继网络(Energy Harvesting Cognitive MultiHop Relay Networks,
EH-CMHRNs)。文献[5]推导了具有单主发送端(Primary Transmitter, PT)和主接收端(Primary
Receiver, PR)的 EH-CMHRNs 中断概率。文献[6]研究了协作多跳 EH-CRNs 在联合功率分
配和路径选择下的次网络(Secondary Network, SN)中断性能。文献[7]则提出了由中继簇构
成的多跳 EH-CRNs,并推导了 SN 中断概率和吞吐量的解析式。与文献[2]和文献[4-7]中
采用从主网络(Primary Network, PN)或 SN 节点收集能量方式不同,文献[8]采用功率信标
(Power Beacon, PB)为具有单 PR 的 EH-CMHRNs 提供能量。文献[9]则构建了一个具有多
PR 的多 PB 辅助 EH-CMHRNs,并采用自适应权重粒子群算法对 SN 中断性能进行优化。
Poornima 等人
[10]
则分析了具有多 PR 和 PT 的 PB 辅助 EH-CMHRNs 中断性能。文献[11]讨
论了具有单 PR 的 PB 辅助 EH-CMHRNs 在 κ−μκ−μ 衰落信道下的 SN 中断性能。文献[12]
则将 EH-CRNs 拓展到了物联网应用领域,构建了 PB 辅助能量收集认知多跳蜂窝式设备到
设备通信系统模型。值得注意的是,以上文献研究均假设 RF-EH 电路始终处于激活状态,
SN 节点总能实时获取其到 PR 链路的瞬时信道状态信息(Channel State Information, CSI)。
但在实际网络中,信道衰落严重或 SN 与 PN 间协作不佳,导致 RF-EH 电路不能被激活或
完整 CSI 无法实时获取。
与上述文献所作的研究不同,本文的创新点和贡献如下:(1)构建了新的具有 PN 干扰
的 PB 辅助能量收集认知多跳中继网络模型,SN 节点同时从 PB 和 PT 节点射频信号中收
集能量。(2)从工程应用实际出发,模型采用较易获得的干扰链路统计 CSI,并考虑了接收
信号功率过小无法激活 SN 节点 RF-EH 电路所导致的 SN 功率中断问题。(3)推导出了 SN
功率中断概率、信道中断概率和总中断概率的精确和渐近闭合式,并采用自适应混沌粒子
群优化(Adaptive Chaos Particle Swarm Optimization, ACPSO)算法对 SN 总中断概率进行优
化。
2. 网络模型
本文考虑一种具有 PN 干扰的 PB 辅助 EH-CMHRNs 模型,如图 1 所示。PN 包括 PT
节点 B 和 PR 节点 DnDn,n∈{1,2,⋯,N}n∈{1,2,⋯,N}。SN 则由 RkRk, k∈{1,2,k∈
{1,2,⋯,K+1}⋯,K+1}组成,RkRk 从 PB 节点 W 的射频信号中收集能量,源节点 R1R1 通过
采用译码转发(Decode-and-Forward,DF)模式的中间中继节点 R2R2~RKRK 将信息逐跳传
送给目的节点 Rk+1Rk+1,且 RkRk 仅能接收到 B 和 Rk−1Rk−1 的信号。所有节点均安装单
天线,采用半双工方式工作。SN 采用衬底(underlay)方式与 PN 共享授权频谱。
|ek|2|ek|2(dB,RkdB,Rk)和|fk|2|fk|2(dW,RkdW,Rk)则分别表示 B 和 W 到 RkRk 链路的信道功率
增益(距离)。|gk,n|2|gk,n|2(dk,ndk,n)和|hk|2|hk|2(dRkdRk)则分别表示 RkRk 到 DnDn 和
Rk+1Rk+1 链路的信道功率增益(距离)。假设网络中的链路均为准静态非频率选择性
Rayleigh 衰落信道
[9,11]
。假设 NN 个 PR 紧绕同一中心点分布
[9]
,因此|gk,n|2|gk,n|2 是独立同
分布的随机变量。|hk|2|hk|2, |fk|2|fk|2, |gk,n|2|gk,n|2 和|ek|2|ek|2 是分别服从数学期望为
1/λk1/λk, 1/βk1/βk, 1/ωk1/ωk 和 1/θk1/θk 的指数分布随机变量,且
λk=dξRkλk=dRkξ, βk=dξW,Rkβk=dW,Rkξ, ωk=dξk,nωk=dk,nξ, θk=dξB,Rkθk=dB,Rkξ, ξξ 为路径
损耗指数。
图 1 网络模型
下载: 全尺寸图片 幻灯片
在每个帧周期 TT 的前 αTαT 时段,RkRk 的 RF-EH 电路开启,其收集到的能量为
ERk=η(PtZk+P0Gk)αTERk=η(PtZk+P0Gk)αT
(1)
其中,Zk=|fk|2Zk=|fk|2, Gk=|ek|2Gk=|ek|2, 0<η≤10<η≤1 为能量转换效率,PtPt 和
P0P0 分别为 W 和 B 的发射功率。随后的(1−α)T(1−α)T 时段被均分为 KK 个时隙以供 SN
的 KK 跳传输,在此期间所有 SN 节点的 RF-EH 电路同时关闭。假设 RkRk 收集到的能量
全部用于数据传输,且 RkRk 的蓄电装置存在漏电导致每帧结束时如有剩余能量将会被完
全泄漏,而不能用于下一帧传输
[9,11]
。
假设 SN 和 PN 之间协作受限,RkRk 只能获得其到 DnDn 链路的统计 CSI,且受
DnDn 所能容忍的最大干扰信号功率(PN 干扰约束)PIPI 限制,RkRk 的发射功率 PT,kPT,k 服
从
[13]
Pr{PT,kYk>PI}≤εPr{PT,kYk>PI}≤ε
(2)
其中,εε 为容忍误差,Yk=maxn=1,2,⋯,N|gk,n|2Yk=maxn=1,2,⋯,N|gk,n|2。YkYk 的累
积分布函数(Cumulative Distribution Function, CDF)和概率密度函数(Probability Density
Function, PDF)分别为
FYk(yk)=(1−e−ωkyk)N=∑n=0N(Nn)(−1)ne−nωkykFYk(yk)=(1−e−ωkyk)N=∑n=0N(Nn)(−1)ne−nωkyk
(3)
fYk(yk)=Nωk∑n=0N−1(N−1n)(−1)ne−(n+1)ωkykfYk(yk)=Nωk∑n=0N−1(N−1n)(−1)ne−(n+1)ωkyk
(4)
根据式(2)和式(3),PT,kPT,k 可计算为
PT,k≤ωkPI/ln(11−1−ε−−−−√N)PT,k≤ωkPI/ln(11−1−εN)
(5)
由于 RkRk 的发射功率还受其收集到的能量限制,所以 RkRk 的实际发射功率为
PRk=min(ERk(1−α)T/K,−ωkPI/ln(1−1−ε−−−−√N))PRk=min(ERk(1−α)T/K,−ωkPI/ln(1−1−εN))
(6)
Rk+1Rk+1 的接收信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio, SINR)为
γRk+1=min(ρ(PtZk+P0Gk),−ωkPI/ln(1−1−ε−−−−√N))Xkσ2+P0Gk+1γRk+1=min(ρ(PtZk+P0Gk),−ωkPI/ln(1−1−εN))Xkσ2+P0Gk+1
(7)
其中,ρ=αηK1−αρ=αηK1−α, Xk=|hk|2Xk=|hk|2, σ2σ2 为 Rk+1Rk+1 的加性复高斯白噪
声方差。为了便于计算 SN 中断概率,本文首先分别推导 Uk=PtZk+P0GkUk=PtZk+P0Gk 和
Vk=(σ2+P0Gk+1)/Vk=(σ2+P0Gk+1)/XkXk 的 CDF 和 PDF 为
FUk(uk)=∫0ukPtFGk(uk−PtzkP0)fZk(zk)dzk=1−Ptθke−βkukPt−P0βke−θkukP0Ptθk−P0βkFUk(uk)=∫0ukPtFGk(uk−PtzkP0)fZk(zk)dzk=1−Ptθke−βkukPt−P0βke−θkukP0Ptθk−P0βk
(8)
fUk(uk)=∂FUk(uk)∂uk=e−βkukPt−e−θkukP0Pt/βk−P0/θkfUk(uk)=∂FUk(uk)∂uk=e−βkukPt−e−θkukP0Pt/βk−P0/θk
(9)
FVk(vk)=1−Pr{σ2+P0Gk+1Xk>vk}=1−λkP0eθk+1σ2P0λkP0+θk+1vkFVk(vk)=1−Pr{σ2+P0Gk+1Xk>vk}=1−λkP0eθk+1σ2P0λkP0+θk+1vk
(10)
fVk(vk)=∂FVk(vk)∂vk=λkθk+1P0eθk+1σ2P0(θk+1vk+λkP0)2fVk(vk)=∂FVk(vk)∂vk=λkθk+1P0eθk+1σ2P0(θk+1vk+λkP0)2
(11)
3. SN 总中断概率分析
在本文网络模型中,SN 传输发生中断的原因主要是以下两点:(1)RkRk 的 RF-EH 电
路未被激活导致的功率中断;(2)SN 数据传输链路信道质量不佳所致的信道中断。
在 RF-EH 系统中,节点接收的信号功率必须不小于阈值 ζζ 才能激活 RF-EH 电路收集
能量,ζζ 的取值范围一般为−30−30~−10−10 dBmdBm
[1]
。本文将 SN 节点接收信号功率小
于 ζζ 的概率定义为功率中断概率。因此,RkRk 的功率中断概率为
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