干扰对准继电器网络中的同步无线信息和电力传输机制

抽象的

本文研究了一种干扰对准(IA)中继系统中的无线信息与功率同步传输(SWIPT)机制，即源节点同时向中继节点发送无线信息和能量，中继节点将接收到的信号转发给收集到的能量驱动的目标节点。为了控制干扰并将干扰作为能量来源，设计了双swipt接收机，即中继系统考虑功率分裂(PS)和天线切换(as)。考虑了AS- based和PS-based IA中继系统的性能，提出了一种新的能源合作(ECop)方案来提高系统性能。仿真结果表明，所提出的ECop方案的性能优于AS和PS方案。

1.介绍

最近，从射频(RF)信号中获取能量(EH)引起了广泛的关注，因为它是一种很有前途的解决方案，可以延长能量受限的无线网络的寿命，例如基于传感器的无线网络。由于它在实现无线数据传输和无线能源传输方面具有实用价值，因此在绿色通信领域具有广阔的发展前景。同步无线信息及电力传输(SWIPT)是在[1]，从信息论的角度研究了点对点单天线加性高斯白噪声(AWGN)信道下的SWIPT。在[2]，格罗弗延长了[1]到频率选择性单天线AWGN信道，通过改变频率上的功率分配，证明了信息率和收集能量之间的非平凡权衡。研究了考虑无线信息和功率传输共信道干扰的优化设计[3.]实现不同的中断能源权衡以及速率 - 能源权衡。

由于多输入多输出（MIMO）技术的应用可以显着提高能量和信息的转移效率，因此研究了MIMO通道的SWITCH中[4- - - - - -6]．在[4[张和何研究了三个节点MIMO的性能限制。[4[在[中的发射机中，是否扩展到具有不完全信道状态信息（CSI）的情况5]．在[6[当发射器不可用CSI时，提出了一种基于随机波束成形的发射机设计，用于多输入单输出（MISO）SWIPT系统，其通过准静态通道产生了人工通道衰落。在[中的正交频分复用（OFDM）系统中研究了SWIPT7- - - - - -9]，在广播渠道中[10，并在干扰信道中[11，12]．此外,(13]研究了MIMO-OFDMA系统的SWIPT，并提出了支持SWIPT的架构，以研究宽带无线系统中的功率控制问题。众所周知，MIMO继电器网络可以显着提高频谱利用率，同时增强链路可靠性[14，15]以及以低成本提供高质量服务的有效方法[14- - - - - -16]．更重要的是，由于无线电力传输（WPT）由于路径损耗导致的高衰减，SWIPT的概念更适用于短距离应用。研究了涉及能量收集接收器的MIMO中继系统在[17[其中，设计联合最优源和继电器预频率设计用于在能量转移和信息速率之间实现不同的权衡。在[18提出了一种基于时间切换（TS）和功率分割（PS）的中继协议，以使能量收集和中继信息处理能够。在[19]，分析了具有译码转发(DF)中继的经典三节点高斯中继信道的吞吐量。

干扰是无线通信收发器设计中的主要挑战之一。干扰对齐(IA)是一种很有前景的无线网络干扰管理解决方案，它在高信噪比(SNR)下逼近干扰网络的Shannon容量已被证明是最优的[20.]．在IA中，将所有用户的发射信号联合设计，将所有干扰约束到非预期接收机的某些子空间中，并通过每个接收机的解码矩阵从剩余的干扰子空间中获得期望信号。为了得到编码和解码矩阵，在[20.，研究了IA在多用户MIMO网络中的可行性条件[21]．由于其卓越的表现，资讯基建已成功应用于多个网络[22]．

IA网络SWIPT的研究仍处于早期阶段：虽然已经完成了一些基本作品[23，24]，文学中没有多少报道。在本文中，研究了IA中继网络的SWIT，具有天线切换（AS）和基于PS的SWIPT的性能。

系统和速率最大问题被制定为三步优化问题。问题被转换为可以容易解决的凸面问题。组合AS和PS的传递特性，提出了能量合作方案，其可以实现比AS或PS方案更好的性能。此外，自由度（DOF）条件比AS方案更灵活。

SWIPT已被证明在频谱使用上比在正交时间或频率信道中传输信息和能量更有效[1]．为了解决通信系统中的干扰问题，现有的干扰管理技术，例如干扰消除，试图通过频谱调度避免或减轻干扰。然而，利用RF能量收集，通过调度政策可以将有害干扰变成有用的能量。本文提供了新的愿景，以减轻干扰和促进求动力。此外，协作中继技术可以扩展源节点的覆盖范围，并通过使用中继节点来帮助克服衰减和衰减，从而在效率和可靠性方面提高了网络性能。我们的论文展示了干扰管理中的初探，提高了继电器网络的能效;我们的结果可应用于下一代通信系统，具有超致密化网络基础设施。

本文组织如下:节2介绍了系统模型和问题公式;部分3.提出了问题的解决方案;部分4提供数字示例以验证我们的结果并比较表演;和部分5总结了纸。

2.系统模型

如图所示1，- 用户可以考虑用户干扰继电器信道，即发射机-中继器-接收机的传输链路。

假设，,天线安装于分别为TH源节点，中继节点和目标节点;和数据流是通过TH源节点和中继节点。我们假设源节点和目标节点之间没有直接链路，使得中间DF中继有助于将源消息传输到目的地。能量收集使中继节点能够首先收获能量，并通过来自源节点的RF信号同时接收信息。接下来，中继节点使用收获的能量作为传输功率的源来将解码的源信息转发到目的地节点。假设与从中继到目的地的信号传输的功率相比，继电器处的信息解码电路所需的处理能力可忽略不计。

通信在两个正交时隙中进行，并假定网络的所有节点都有完美信道状态信息(CSI)。为了避免用户间的干扰，本文考虑了空间维度上的线性IA，即多用户MIMO系统中的IA。本文主要关注IA网络中的信息和功率传输，而不是自由度，因此我们假设每个节点的流是相同的;也就是说,，．此外，考虑对称网络，因此所有节点都具有相同的参数;也就是说,，,，．

首先考虑槽2，即，具有仅执行信息传输的传统IA网络。目标节点处的接收信号可以表示为 是由中继节点发送的数据符号。平均功率约束表示为TR（， 在哪里的协方差矩阵．是来自中继节点的频道增益矩阵到目标节点．

为任意中继节点，它的信号是用预编码矩阵预编码的吗．编码信号是由中继节点的天线传送的吗到目标节点，这也会在其他无意的目标节点上造成干扰。在目的地节点，来自其他中继节点的干扰，，约束到与酉干扰抑制矩阵正交的同一子空间，通过其他用户的预编码矩阵的合作。因此，所需的信号可以恢复TH目的地节点在th destination节点。表示目标节点处的加性高斯白噪声向量分配．

当IA可行时，若满足以下条件，可认为用户间的干扰已完全消除[20.，21]： IA的可行条件为 然后(1）可以简化为 以...的速率可以描述th目的地节点 在哪里和表示槽1中的收获能量。

接下来，考虑1号槽的联合信息和能量传输。假设每个中继节点可以同时解码信息和获取能量。源节点通过AS和PS两种机制向中继节点传递能量和信息。

在AS方案中，接收天线分为两组，一组切换为信息解码，另一组切换为能量收集，如图所示2．

我们假设每个中继节点进行交换天线从所有天线用于信息解码(ID)，其余为天线用于EH。ID天线的数量应满足可行的条件;也就是说,

源节点之间的信道矩阵中继节点的识别天线表示为，由行并采用以获得编码矩阵。假设可以完全消除干扰，以及速率通过描述的继电器可以描述为

对于电力传输，源节点之间的通道矩阵和中继节点是．中继节点的收获能量可以被描述为 在哪里为中继节点的能量转换效率，EH接收机的背景噪声可以忽略。

在PS方案中，每个天线接收到的信号被分成两个独立的不同功率级的信号流，一个发送到EH接收器，另一个发送到ID接收器，如图所示3.．

来自天线的接收信号首先由表示的高斯噪声损坏RF-band。然后将射频波段信号馈入功率分配器，该分配器假定是完美的，没有任何噪声诱导。信号分割到ID接收器，然后通过一系列标准操作从射频波段转换到基带。在此过程中，信号还会受到另一种噪声的干扰，它独立于．

为th天线在中继节点，EH的电源部分表示为，而且为身份证是，．那么速率可以计算中继节点 在哪里 在哪里和代表所有人的权力分配接收天线中继节点。收集的能量可以计算中继节点与（8） 作为

对于中继系统，我们假设插槽1 =插槽2，因此系统速率可以描述继电器传输链路

3.问题公式化

3．1．天线Switching-Based传送

在如上，它认为天线从所有中选择ID;因此,有完全可行的组合。从所有可行的天线组合中寻找最优的AS方案，得到最优的AS方案。假设全局通道知识对所有用户都可用。对于选定的AS方案，优化问题可描述为:

定理1。电力分配问题 可分为独立的子问题链接。

证明。由于2号槽的变速器是由1号槽收集的能量驱动的，我们有．此外，考虑完美的IA和槽2上的最佳功率分配;以...的速率插槽2中的链接与任何其他链接无关。两个跳优化问题可以被视为插槽1中的速率 - 能量权衡问题： 在哪里表示分配给速率的重量继电器，在eh和它之间进行权衡。对于确定的组合确定，以实现最大的总和率中继链接，值应该是正确的设置。
对于一个给定的，电力分配问题 可分为独立的子问题链接: 决策变量是，．因此，可以将优化问题作为下列重写并行的子问题, 在哪里．

根据定理1，观察到，对于给定的天线组合和权值组合，每个源节点可以同时确定自己的功率分配，从而实现全局优化。考虑TH源节点;电源分配表示为（13)，它是凸的，可以用内点法有效求解[25]．

3.2。基于功率分裂的中继

考虑基于PS的IA中继系统;要完全消除干扰，应使用均匀的电源分裂（UPS）[24］;也就是说,．

首先假设每个源节点只有一个数据流;也就是说,．的最佳功率分裂比中继节点为

证明。 ： 以...的速率在插槽1中的用户是 槽1对应的收获能量为 以...的速率在插槽2中的用户是 让;我们有 替代（16） 进入 （18)时，可计算出最优的功率分裂比，表示为(14）。

什么时候，各源节点功率分配、PS比、各中继节点权值应共同优化。对于给定的率权值，优化问题可表述为

在 ， 如果给出， 可分为独立的子问题链接为．PA的最佳解决方案可以通过应用UPS方案的Interpoint方法来获得。

3．3.能源合作

由于AS方案具有更好的速率性能，并且PS方案对收获的能量具有优势[24]，我们考虑一个能源合作(ECop)方案，其中PS继电器与AS继电器分享收集的能源。

假设只有Th继电器节点采用方案，提醒继电器节点是PS方案。IA中继系统仍然是对称的网络，其中所有节点都具有相同的参数;也就是说,，，,，．

在描述优化问题之前，我们首先检查自由度的可行性条件。假设针对ID选择天线对称网络成为非对称系统，应重新考虑对称网络。从 [26，方程的总数和变量总数由

如果是IA条件是合适的;也就是说,

此外，ID接收器可以同时对其进行解码流,这是

请注意，在能量合作IA中，可行性条件比条件更严格（6）。桌子1比较给定的最高可达到的自由度．

据观察，能源合作具有比IA更好的DOF，而且能源合作网络总是比PS更低的DOF，因为作为中继节点阻止网络不再是对称的。

现在考虑ECOP IA的设计问题;我们的目的是最大限度地提高所有中继链路的总和率，以PS链路给出的单独率限制，．

备注2。为th（）ps中继链接，如果 具体来说,如果th（)中继链路的速率性能优于两个槽的链接，第一个中继节点不会与AS中继节点共享其收集的能量。设计目标:th（)中继链路仍然是能量率的权衡。

现能源合作方案描述如下。

首先，计算AS链路最大系统速率所需能量。更准确地说，在Slot 1中找到一个速率最大的天线组合，然后计算转发所接收信息的中继节点能量需求间隙。

接下来，考虑ECOP可用中继节点应该共享多少能量。我们定义一个名为能量率比（ERR）的参数，以将瞬时EH容量与中继节点的ID功能进行比较。中继节点的错误，在网络中可以表示为

为继电器节点，应该用作为中继节点共享的能量

和使．

然而，由于在PS链路上有速率要求，能量共享并不总是对PS中继节点可用。为Th链接假设当满足链路速率要求时，中继的节省能量表示为．实际上，可以保存的能量依靠节点是．

备注3。如果在满足速率要求时，中继节点无法保存任何能量，那就是， AS中继节点不会从对应的中继节点接收任何能量。

最后,中继节点接收能量为．如果接收的能量小于所需的能量AS中继链路应重新设计，以最大限度地提高其信息速率。将能源合作方案的算法归纳为算法1．

算法1(能源合作方案)。 作为用户的最大速率计算并相应收获的能量在插槽1中。
计算能量需求使插槽2实现信息速率．
对于PS中继节点满足(21岁一个)和(21 b），他们应该完全分享能量作为中继节点。
计算应保存的能量th中继节点经过 （23）。
为在中继节点上，计算可节省的能量什么时候th继电器节点满足速率要求，以及可以用作中继节点共享的能量是实际上。
计算总接收能量继电器。
如果，链接的速率是．否则，重新设计AS链路，以最大限度地提高他们的信息速率。

4.模拟结果和讨论

在这一节中，我们提供数值结果来比较所研究的方案的性能。

首先考虑不同传输策略在不同转移功率水平的可实现率表现。

对于这种情况，一个三用户IA中继网络被认为是。假设在AS中，为满足IA可行性条件，．对于ECOP，ID天线是在AS节点处，在PS中继节点处接收天线是．

对于这种情况,假设，,．在作为方案中，．在Ecop中，ID天线是在AS节点处，在PS中继节点处接收天线是．采用传统迭代算法求解IA收发器[20.]．

数字4表明PS方案总是具有更好的性能，因为PS方案在能量和信息之间做出更灵活的权衡。此外，PS始终在任何天线情况下具有更高的DOF条件。由于继电器链路的系统速率取决于较小的插槽，但是两个时隙发生在相同的传输持续时间，PS的性能并且随着传输功率的增加而不是对数地改善。

对于ECop，速率性能优于AS和PS，由于AS节点没有自能约束，可以实现并最大化信息，因此ECop方案获得了更好的求和系统速率。

在下一个实验中，用户在一维区域随机分布。源节点和目的地之间的距离为200米，可以标准化为1.源节点和中继节点之间的距离表示为和为中继节点到目的节点记为．假设大规模的路径损耗因子，继电器和用户之间的信道系数将具有额外的大规模路径损耗，,分别。

为和，网络条件与前一实验相同。从图中可以看出5中继节点越靠近目的节点，AS方案的性能越好，说明AS方案在信息传输方面具有优势。当UPS以功率损失为代价维持空间复用增益而优于传统MIMO系统中的AS时，这个结论有些令人惊讶。值得指出的是，AS以更低的自由度为代价获得了更好的速率性能。综上所述，AS在硬自由度条件下具有更好的速率性能;另一方面，UPS在收获能量方面具有更好的自由度条件。对于一个真实的通信系统，我们应该根据实际情况选择接收方案。

此外，ECop总是具有最高的速率，这表明所提出的方案可以有效地提高系统的性能。ECop还可以实现比AS更高的自由度。

5.结论

本文对IA中继网络中的SWIPT进行了研究。首先分析了基于AS和ps的SWIPT算法的网络求和速率最大化问题，提出了一种三步优化方法。仿真结果表明，PS方案的性能并不总是优于AS方案。当我们记得UPS总是比传统情况下的AS有更大的R-E区域时，这个结论有些令人惊讶。结果表明，当干扰为能量源时，两种方案都产生了新的传输特性。

结合AS和PS的优点，提出了一种新的ECop方案以获得更好的性能。仿真结果表明了ECop方案在IA中继网络中的优越性。

利益争夺

提交人声明没有关于本文的出版物的利益冲突。

致谢

江西省自然科学基金资助项目(no . 20114ACE00200, no . 20142BAB217005, no . 20142BBE50046);中国/江西省博士后科学基金资助项目(no . 2013MT541875, no . 2014MT561879, no . 2015T80692, no . 2014KY046);南昌大学研究生创新专项资金(cx2015138)。

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