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1、 能量收集技术在中继协作通信中的分析 摘要：随着无线通信的不断发展和智能终端的广泛普及，数据流量需求急剧增大的同时发送端和接收端的能量消耗同时增加。针对以上挑战，“绿色通信”的能量供应方式成为一个具有重大意义的新课题。关键词：协作通信；能量收集；信道一、协作通信的发展协作通信技术由于能够提高无线通信的信号传输速率以及链路的可靠性，已经得到越来越多科研者研究，其应用也更加广泛。早在 20 世纪 70 年代，协作通信技术就得到专家学者的初步研究，1971 年，经典的三节点协作通信模型由 Van der Meulen首次提出，该模型包含源端、中继节点、目的端，在该文献中研究了协作通信模型的信道容量界
2、。其后，在 1979 年，Cover 和 Gamal 等人在此基础上对此三节点模型的信道容量界展开研究，得到了更加准确的容量界。到 20 世纪 80 年代，协作通信的研究发展进入瓶颈期，研究进展缓慢，鲜有创新的理论被提出。到二十一世纪初，Sendonar 等人对中继协作模型的研究范围扩展到多节点，研究了系统的中断概率，进一步表明协作分集能够增加通信系统信息传输的稳定性以及提升信息传输速率。经过数年发展，中继系统已发展出多种典型的模型，按照中继节点数量的不同，可分为单中继两跳模型和多中继串行模型、多中继并行模型。按照中继节点转发处理源端信号的不同方式，协作协议主要有放大转发(Amplify-an
3、d-forward, AF)协议和译码转发(Decode-and-forward, DF)协议以及编码协作(Coded Cooperation, CC)等。最近几年，中继协作通信的科研攻关点主要在降低系统的中断概率、中继节点如何选取和功率的最佳分配等方面。在通信系统性能方面，研究处理了关于协作中继用户中信息传输误码率的问题。对于系统中信息传输中断概率进行研究，分析在 DF 模式系统中断概率的上下界闭合表达式。在功率的处理方面。中分析了在多个中继用户的协作模型中，以系统目的端信噪比最大化为目标，中继用户和源端之间的功率分配问题。此外中继协作通信技术能够分集增益，保证信号在源节点和目的节点之间的链
4、路中的传输质量，扩大通信的边缘界限等优势。近年来，在协作通信中加入能量收集技术，利用能量收集技术解决中继网络能源受限的问题也成为一个新的研究领域。二、能量收集的发展能量收集技术即从周围的环境中收集能量，进而将能量转换为可使用的电能的技术，作为一种克服无线传感器网络能源瓶颈的可持续解决方案，该技术最近已受到广泛关注与研究。除了传统意义上从自然界中源源不断收集的能量源，空间中的射频信号可被视为一种新的能源，射频能量收集技术将收集的电磁波经过转换装置转换为电能进行存储，作为无供电系统设备的电源使用。随着技术的发展，由于系统使用能量收集技术，无线传感器网络(Wireless Sensor Networ
5、k, WSN)中一些传统的供电设备将不再部署，因而可以减少运营成本。无线能量收集技术的一个基本的限制因素是传输距离的限制，虽然长距离的通信可以通过强大的射频源实现，但是由于因径损耗，接收端收到的可用能量非常小。在移动通信网和无线传感器网络中，通过合理部署中继节点，基站的工作边界能够得到扩展。由于能够使用从源信号中收获的能量来转发信号，使得具有能量收集功能的中继受到广泛的关注。这样能够解决中继节点的能源供应问题，扩大基于能量收集技术的无线通信的应用，这种协作的优势是能够提高无线能量收集网络的频谱利用率，进一步降低网络的能量消耗。三、基于能量收集技术的多中继多用户两步选择方案1.系统模型图1 多中
6、继多用户能量收集的协作网络模型如图所示，一个源端 和潜在用户 通过具有平坦衰落信道进行通信，多个潜在中继节点放大转发从源端发送的信号，源端 与用户 之间不存在直达链路，信号在信道的第一跳和第二跳传输过程独立同分布。信道用 和 来表示，假定所有信道均为瑞丽衰落信道，信道 是具有零均值和方差为 的圆对称复高斯随机变量，信道 同样是具有零均值和方差为 的圆对称复高斯随机变量。信道功率增益分别为、分别服从均值为 和 的指数分布，与之对应的第一跳信噪比是 、第二跳信噪比 ，是参数为 和 的指数随机变量。其中、式子中的 和 分别为源端 和中继 的传输功率，并假定所有信道链路均为均值为零而且方差为 的加性高
7、斯白噪声。信号开始传输之前，每个中继节点检查各自的电池存储的电量是否足够用来传输源信息。如果中继节点电池没有存储足够能量，则它在该时间段内进行能量收集，将收集的能量存储在各自的电池中。在本文中，假定源端传输功率 足够大，可以忽略中继节点从噪声中收集的能量，因此中继从源端收集的能量可以表示为在式子中， 为能量收集效率。为了研究方便，在本文中，假定时间块 。对于收集到足够能量的中继，向源端发送各自的信道状态信息来做出中继选择，定义 为中继在第 个时段内的电池电量，定义这些拥有足够能量的中继的集合为是触发能量收集电路的能量收集阈值， 表示在 上的传输功率 的次数。在满足条件的这组中继中，挑选出具有最
8、佳源中继链路信噪比SNR的中继 ,可以表示为中继选择后，用户分析所有 链路的状态，然后经反馈信道向 发送链路状态的分析报告,最佳的用户 从如下用户群中挑选出来。此后，两个时段的通信开始，在第一个时段，源端把信号发送到选定的中继节点，在第二个时段，中继节点依据放大转发协议将信息发送到用户，用户端的信噪比可以表示为由于信息传输和能量收集不在同一个时隙内完成，当其它的中继使用源信号收集能量的同时，只有一个中继被挑选出来发送源端信号。四、仿真结果分析设置参数 和 。通过图2和图3仿真结果可以看出，在有限电池容量大小和无限电池容量大小两种状态下，所研究协议的性能在给定的参数 和 下与源端的信噪比的之间的关系。可以分别发现，仿真结果与理论分析吻合度极高。平均信道容量随着中继数和用户数的增加而提高，同时能够看出，理论值和仿真值之间的差距随着 的增加而减少，但在 增加时，差距保持不变。因为当 增加时， 和 更加精确，但用户的数量不影响精度。图2无限能量存储状态信道容量 图3有限能量存储状态信道容( ) -全文完-
