分析无线能量收获继电器Rician信道的吞吐量

文摘

协同通信使用空闲节点实现性能提升。能量收集允许合作交流减少对电池的依赖。摘要能源获取的性能(EH) amplify-and-forward传送Rician衰落信道分析,与之前的作品集中在瑞利衰落信道。连续时间和离散时间呃呃协议协议被认为是。解析表达式的平均吞吐量。数值结果给出了显示系统的良好的性能在Rician衰落通道通过检查各种系统参数使用解析表达式。

1。介绍

Amplify-and-forward (AF)传送是广泛应用于通信系统扩展网络覆盖或实现分集增益。AF传送的信息从源节点接收和放大中继节点转发到目的节点之前。另一方面,无线能量收获在传达一个重要的应用程序。中继节点可能会受到其电池寿命,这样它可能依靠一些外部电源仍然活跃于网络。在这种情况下,能量收获是特别有用,因为源节点可以作为一个外部电源的继电器节点通过无线传输能量。

一些作品已经完成能量收集技术或amplify-and-forward传送技术,等等。参考文献(1- - - - - -3)考虑使用能量收获从环境射频信号功率无线传感器网络。参考文献(4,5]呃节点的传输策略研究。在这些情况下,节点在某个时间即时获取能量和传输在其他时间瞬间收获能量。在[4),传输时间最小化。文献[5]研究了最大化短期EH系统的吞吐量。

文献[6]研究环境射频能量收获,而是使用收获的直接能量无线传感器网络,它考虑的选项将收获能量存储在电容器或电池电力无线传感器网络。在[7],射频能量收获模型分析了考虑接收天线部分,整流部分和能量存储电路。在[8),最优抽样的随机领域进行了研究。文献[9]研究了最优感知与有限的电池。最优估计使用离散时间的连续时间随机过程样本通过一个传感器与无线电力研究[10]。这项工作表明,时变随机事件与无线传感的权力,实现最优性能,当energy-harvesting-consumption-ratio是1。在其他的研究中,中继节点的最优位置也进行了研究。例如,[11)被认为是dual-hop能量转移方案,(12)提出了一种新颖的优化问题两跳射频能量转移来提高无线能量传输效率。在[13),人工添加噪声降低泄漏率的信息能量接收器同时收获满足其能源需求。文献[14)被认为是启用无线能量收获巨大的多输入多输出传送系统提供无线安全。协议使用每一帧的一部分能量收获和消息传输的其他部分被认为是在15]。在[16),两跳的最优性能边界multiantenna房颤传送系统multiantenna能量收获(EH)接收机进行了研究。同时,能量收集技术实际设备低功耗应用程序研究了使用能源收集传送(17- - - - - -19]。文献[20.)研究了不同rate-energy权衡以达到最优源和中继编码多输入多输出继电器系统。文献[21)提出了两个协议的能量收获AF传达和分析每个协议的吞吐量(连续时间和离散时间呃呃协议协议)。上述所有工作已经进行了瑞利衰落通道。然而,众所周知,瑞利衰落信道的只是一个特例Rician衰落信道时的视线是0。因此,Rician衰落信道是更普遍比瑞利衰落信道和有用的,这是极大的兴趣调查Rician衰落信道中的性能呃传送。

在这篇文章中,我们填补这一空缺通过分析性能的能量收获AF Rician衰落信道中传送。我们考虑两个协议,类似于(21),连续时间和离散时间呃呃协议协议。基于这些协议,我们推导出解析表达式的吞吐量Rician衰落通道,这是更具挑战性由于贝塞尔函数的概率密度函数。数值结果给出了比较Rician衰落信道和瑞利衰落信道。他们表明Rician衰落信道中的性能优于在瑞利衰落信道和性能可以使用我们的量化结果。

本文的其余部分组织如下。部分2介绍了AF继电保护系统的系统模型能量收获。节3,我们推导出解析表达式的每个协议的吞吐量Rician衰落信道。节4,我们显示数值例子得到的解析表达式并使用计算机仿真验证其准确性。部分5总结了纸。

2。系统模型

我们考虑一个合作交流的场景由源节点(),一个目的地()和一个中间继电器节点()。源节点和目标节点没有能源,但能源贫瘠的中继节点。我们假设与源目的节点不能直接沟通,因为物理障碍。这是一个有效的假设在某些沟通场景。然后,呃中继节点将是一个不错的解决方案部署到源和目的地之间的通信工作有效。

以下假设继电保护模型被用于这项工作。(1)用于继电器的电路的处理能力是微不足道的传输功率所需的继电器。(2)能源贫瘠的中继节点,第一次收成足够的能量从源和中继节点传递源信息目的地使用收获能量。继电器的电池容量远远大于所需的传动功率。(3)继电器采用频繁(TS)的体系结构。花一部分时间能量收获(呃),其余时间信息传输(It)。(4)的和通道是由Rician衰落和大规模的路径损耗。我们之间的距离表示和作为和,分别。信道衰落之间的收益和分别表示,是吗和。衰落信道增益是假定为常数的秒,是独立的,从一个街区到另一恒等分布的。(5)假设的通信发生在模块秒,每一个都由两部分组成:呃,这一部分。我们表示时间的分数分配的呃块,。因此,嗯一部分秒,这部分需要秒,这部分需要秒。连续时间呃,继电器的收成在每一块能量和传递信息。因此,(21]。离散时间呃,继电器使用能量收获或传输的整个街区。当继电器收成能源,,而当中继传输信息,(21]。(6)连续时间呃,一个EH-IT块包含部分,这部分,嗯占地块的一部分,它占据了其余的。离散时间呃,一个包含EH-IT模式块,哪里有嗯块和一块()。

另外,我们定义以下符号: :可用能源的一个EH-IT模式 :开始时可用的能量th块 :当时即时收获能量在th块 :在一个呃块能量收获 :EH-IT模式开始时间 :数量的离散时间呃呃的协议。

2.1。信号模型

为th,源节点发送规范化信息信号与通过通道,在中继节点接收。 在哪里是衰落信道增益,源的距离继电器,路径损耗指数,传动功率源,是加性高斯白噪声(AWGN)平均值为零,方差吗。

然后,房颤继电器收成足够的能量来保证所需的传动功率在这一部分。一般情况下,可以是任何值设定的QoS要求的应用程序,这将产生不同的吞吐量。嗯一部分后,中继放大接收到的信号,并将其转发到目标节点。发送的信号继电器 在哪里的平均功率是这样

最后,信号由给出的目标节点接收

在(4),是衰落信道增益,的距离吗链接,目标节点的情况下。从(4),我们可以区分信号和噪声,在那里是信号和一部分吗是噪音的部分。因此我们可以得到信噪比(信噪比)在目标节点 再次,情况下的方差在哪里节点。

为块,如果信噪比小于阈值信噪比()会有中断。所以我们得到的故障指示器作为 在哪里是一个指标函数等于1如果它的参数是正确的;否则它是0。

2.2。嗯中继协议

2.2.1。连续时间呃协议

在这个协议,继电器收成只够的能量传输的信息的信号。连续时间呃继电器确保继电器可以收获所需的每个块内的能量和传输到目的节点。EH-IT模式只有一个块(21]。

如图1所示,首先传递花秒获取能源,。然后,在这一部分,一半的时间是为传输和另一半时间是为传播。嗯时间会消耗的能量收获的时候,所以收获积累能量是0。因此,。

在这种情况下,在收获能量秒是由 在哪里能量转换效率。继电器需要源消息转发到目的节点的传输功率一段时间的。我们可以得到的关系 因此,结合(7)和(8),我们可以得到

摘要吞吐量的比例意味着有效的沟通时间转发传输成功时的总时间。作为有效的沟通时间在一块的时间吗的吞吐量是计算 吞吐量(10)是一个通道的收益函数和。他们是随机变量。因此,平均吞吐量

2.2.2。离散时间呃协议

在这个协议中,每个块为嗯或者用于它。如果块用于呃。否则,它是用于它。在这一部分,用于传播,剩下的传播。

在图2,如果,将会有呃,呃将继续,直到。然后,继电器启动它。然而,如果在一开始,就没有啊,继电器将立即启动它。在这种情况下,我们可以看到收获能量可能不是完全消耗,所以可以大于零21]。

在这种情况下,当一块用于呃,收获能量

然后

同样,离散时间呃的吞吐量也,平均吞吐量 在哪里。

3所示。Rician衰落信道的性能分析

在本节中,我们将获得每个协议的吞吐量的解析表达式Rician衰落通道。

3.1。平均吞吐量连续时间呃协议

自和是独立的,(11)可以写成 的功能是由 为了方便起见,我们定义,,,。然后我们有

我们假设信道增益Rician分布。因此,的PDF或是由 在哪里cluttery组件和的力量吗是视线的振幅分量。使用转换,或的PDF

然后,我们得到是 在这里,我们可以看到,当,。

最后,我们得到的平均吞吐量的PDF成的公式

一看到这是一个二维嵌套的积分,这是不容易计算数值收敛问题。所以我们应该做一些简化。我们注意到,在(20.),我们可以得到。为,它是。在一般情况下,SINR不会很小,所以远小于1。(20.)可以近似

同时,

另一方面,,我们使用替换有 在哪里函数被定义为 然后,(25)可以 所以我们得到

结合(21)和(27),我们得到

然后我们有 在哪里。

(我们可以看出29日)是一个从0到一维积分,由于指数函数和贝塞尔函数积分的被积函数收敛很快。

3.2。平均吞吐量的离散时间呃协议

自和的PDF (19),有 在哪里的哑变量是随机变量,和的均值是。

在上面的,收获能量。剩下的能量消耗后的第一个EH-IT模式的终结在这部分。之后,第二EH-IT模式,如果剩下的能量小于第一EH-IT模式,这将是第二EH-IT模式,但如果它比,这也是第二EH-IT模式和将使用另一个能源没有收获。这个过程还在继续。我们可以推断出任何EH-IT的最后剩下的能源模式,在一系列EH-IT模式,可以转换为相同的形式这是一个函数的,,。因此,收获能量可以在任何EH-IT模式的开始,将PDF:

我们有

在这种情况下,嗯时间无关,,但这取决于衰落信道,和;也取决于积累开始的时候收获能量块,。因此,取决于衰落信道的街区,或。因此,吞吐量可以写成

使用的结果(20.)和(27),我们可以得到

与此同时,我们集总数量是吧。然后,我们表示随着呃块数量的能量到来之前。如果,将会有。当我们已经知道的意思是。然后我们可以得到。

所以我们有

因此

所以我们有

我们使用函数考虑再次之前, 在哪里。

我们定义的吞吐量

结合(34)和(39),平均吞吐量

4所示。数值结果和讨论

在本节中,提出了数值结果显示系统的吞吐量在Rician衰落通道。传动功率设置为来源dBm。设置路径损耗指数。源的距离继电器设置米,距离继电器设置为目的地米。能量转换效率将。设置阈值信噪比dB。继电器的噪声方差和目的地节点设置dBm和dBm。同时,,这是一样的在瑞利衰落信道。我们还获得仿真结果来验证分析结果3。在模拟,使用100000块,我们生成独立衰落信道和对于每个块。我们假设固定在继电器,电力传输是固定在变化与,类似于(21]。

图3显示了分析和仿真结果的比较离散时间的吞吐量连续时间呃呃,Rician衰落信道。从图3我们可以看到,仿真和分析结果的吞吐量连续时间嗯和离散时间呃Rician衰落信道匹配。这显示了我们使用的近似精度。另外,我们可以发现有一个峰值曲线。这是因为吞吐量与最后的信噪比和时间呃。当增加最后的信噪比将更大,故障概率将减少,这使得吞吐量大。另一方面,当变得更大,嗯的时间会更多,可以降低吞吐量。因此,将会有使吞吐量最大的,最优。此外,我们可以看到,离散时间呃协议的性能优于连续时间呃协议。有精力EH-IT模式后离散时间呃协议时将收获更多的能量比较大。然后它使以下EH-IT模式的嗯时间更小,使吞吐量大。

在图4的价值,增加从dBm,dBm。离散时间系统的吞吐量性能的连续时间呃呃,Rician和瑞利衰落信道可以相比。从结果,我们可以看到,Rician衰落信道的吞吐量比,在瑞利衰落信道下相同的其他条件。它符合物理事实Rician衰落信道是一个更好的比瑞利衰落信道的衰落信道,这样表现Rician衰落信道应该比在瑞利衰落信道。

图5情节的最佳吞吐量当噪声方差在目的地节点增加的形式dBm,dBm,吞吐量也在改变,当噪声方差的变化。最佳吞吐量增加当噪声方差减少。当噪声大,需要更大的满足停机条件,这将使嗯时间更长,最后,使吞吐量下降。

图6时显示最佳的吞吐量和阈值信噪比增加dB来dB。我们可以看到,当阈值信噪比增加吞吐量下降。阈值所需的信噪比越高,最终应该信噪比越高,它将要求更高,这将使嗯时间更长的时间来降低吞吐量。当阈值信噪比的增加,仿真和分析结果之间的差距增加,因为当阈值信噪比增加了感性会更大,所以近似变得不准确。

在图7,我们检查视线的效果。时的吞吐量比,当大吗。当视线增加,通道变得更好,吞吐量将增加。

5。结论

在这篇文章中,我们推导分析吞吐量的连续时间和离散时间呃协议用于房颤继电器Rician衰落信道和证明了通过计算机模拟分析吞吐量的准确性。此外,我们还讨论了在不同情况下表现为不同的转发节点的传输功率,噪声在接收节点,和阈值信噪比。此外,EH-IT协议在Rician衰落信道的性能比,在瑞利衰落信道中,由于河道整治的视线。此外,吞吐量将会改变变化和有一个峰值达到最佳的吞吐量,和最佳的吞吐量将减少噪音和阈值时信噪比增加。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。