全双工解码车辆到车辆继电器系统中电气收集中断概率和产量分析

抽象的

在本文中，我们评估了车辆到车辆（V2V）系统的性能，其中全双工继电器（FDR）收集来自源的能量，并使用解码和前进（DF）协议从源到目的地转发数据．与现有FDR系统的工作不同，我们考虑继电器和目的地是移动车辆的场景，导致继电器和目的地之间的频道，其特征是双（级联）瑞利衰落。我们成功获得了所谓的能量收集 - （EH-）FDR-V2V系统的停电概率（OP）和吞吐量的封闭式数学表达式。根据这些表达式，通过各种场景调查系统性能。数值结果表明，与瑞利褪色通道的系统相比，所考虑系统的性能减少。我们还观察到最佳的EH时间持续时间最小化OP并最大化吞吐量。该值取决于源的传输功率。此外，由于剩余自干扰（RSI）的影响，OP由于剩余自干扰（RSI）的影响而导致地板更快地进入地板。蒙特卡罗模拟验证了所有分析结果。

1.介绍

最近，由于这种技术在无线传感器，微控制器和显示器中，能量收集（EH）引起了极大的关注1-4.］．与传统的有线电源相比，采用EH的无线电源可以应用于传统方法无法为电池充电的设备，如体域网络设备。因此，从环境中获取能量是一种很有前途的方法来延长能量约束无线网络的生命周期。在太阳能和风能等其他可再生能源中，由环境发射机辐射的背景射频(RF)信号可以成为无线电力传输(WPT)的一种可行的新来源。另一方面，射频信号作为无线信息传输的载体已经得到了广泛的应用。同时无线信息和功率传输(SWIPT)变得很有吸引力，因为它同时实现了对射频信号的有用利用，从而潜在地为移动用户提供了极大的便利。

与此同时，全双工(FD)通信由于在同一时间和同一频带上同时发送和接收信号，使得其频谱效率比传统的半双工通信提高了两倍。因此，FD技术能够满足未来无线网络的需求，如第五代(5G)及以后[5.-8.］．然而，自干扰消除后的残余自干扰（RSI）增加了中断和误码率（BER）并降低了FD通信系统的容量。幸运的是，研究和测量已经证明了FD系统可以在最近的优势技术（如天线设计，模拟和数字信号处理）的帮助下部署在现实方案中。通过使用三个域来取消，例如天线域抑制，模拟和数字域消除，可以抑制自干扰（SI），高达110 dB，使RSI为噪声底部9.那10.］．目前，为了提高无线通信系统的覆盖范围和可靠性，在中继上采用FD传输[6.那11.-14.］．结果表明，与传统的HD中继(HDR)无线系统相比，采用FD中继(FDR)可以获得更高的容量和较小的性能损失。

为了延长FDR通信系统中的无线设备的寿命，在文献中的许多研究工作中被考虑了EH技术[3.那12.那15.-19.］．在数学分析的基础上，研究了EH-FDR系统在不同场景下的性能m衰落渠道[12.]，瑞利褪色[3.那15.-18.]， 和环境(19.］．这些工作导出了停电概率(OP)的分析表达式[3.那12.那15.-19.]，符号误差概率（SEP）[12.那15.]和ergodic能力[16.那18.在EH-FDR系统的情况下，在仅FD继电器收获来自源极或源极和FD继电器的能量和FD继电器收获从电源标信标（PB）的能量。数值结果表明，这些系统可以在具有高传输功率的实际情况下在源或Pb的实际情况下运行。此外，使用具有多个天线的PB可以显着增加源和FD继电器的收获能量，从而提高OP和SEP性能。另一方面，由于FD传输模式引起的RSI对EH-FDR系统的性能产生了很大的影响。它使EH-FDR系统的OP和SEP以高信噪比（SNR）制度的错误地板。此外，选择合适的EH时间持续时间非常重要，因为该值可以最小化EH-FDR系统的OP和SEP。

此外，文献中的各种工作提出了几种SWIPT接收机的架构，如理想接收机、时间开关(TS)接收机和功率分裂(PS)接收机[20.那21］．讨论了这些SWIPT接收机的优缺点。具体来说，理想的接收机并不适用于实际电路，因为接收机无法解码信息并从同一信号中获取能量[21］．同时，TS和PS接收器适用于实际。在TS协议中，接收器收集能量并在两个时隙中检索信息。在PS协议中，接收器将接收信号分成两个流，一个用于EH，另一个用于信息解码器[21］．

如今，车对车(V2V)通信系统由于其在道路安全应用中的重要作用而得到快速发展，特别是在协同驾驶和半自动驾驶中[22］．在这种情况下，FDR被用于减少智能交通系统(ITS)中车辆之间的传输延迟[22-24］．在文献中，各种作品通过OP和SEP的数学表达式调查了FDR-V2V系统的性能[23那24]并提出了几种解决方案，如天线设计[25]干扰管理[26]来提高FDR-V2V系统的性能。这些工作表明，在V2V通信的情况下，车辆之间的渠道不是传统的渠道，如Rayleigh, Nakagami，和Rician。相反，双瑞利衰落信道最好地描述了V2V通信的特性。此外，在RSI和V2V通道的影响下，FDR-V2V系统的OP和SEP进入错误层的速度更快[23那24］．

另一方面，当无线设备在道路上移动并且长时间发射信号时，传统的电源方法（例如有线电源）可能是不可能使用的。因此，EH技术成为FDR-V2V通信系统的有效电源。配备EH电路时，V2V设备可以同时移动和收获能量。然后，他们使用收获的能量来传输信号。然而，由于双岩岩衰落通道引起的计算复杂性，特别是当应用EH时，关于EH-FDR-V2V系统的研究仍然有限。

通过上述这些问题，我们数在数学上评估EH-FDR-V2V系统在双瑞利衰落通道的性能。虽然EH和FDR中的组合在各种作品中进行了调查了传统的无线通信系统，但这是第一项工作，即将EH和FDR组合到V2V通信系统中，其中FD继电器收获来自源的能量并使用DF协议．我们成功派生了所考虑的EH-FDR-V2V系统的OP和吞吐量的确切表达。纸张的主要贡献可以概括如下：（1）研究了EH-FDR-V2V系统的模型，其中源为静态基站，中继和目标为移动车辆。此外，继电器在行驶过程中通过射频信号从源获取能量;因此，从中继到目的地的信道是双瑞利衰落信道。此外，中继使用解码-转发(DF)协议将数据从源端转发到目的地（2）获得了在RSI和双瑞利衰落通道的影响下，所考虑的EH-FDR-V2V系统的OP和吞吐量的确切闭合表达。我们表明，与瑞利褪色渠道相比，双瑞利衰落频道使数学推导更加困难（3）在各种场景中调查了所考虑的EH-FDR-V2V系统的性能。数值结果表明，由于双瑞利褪色通道，所考虑的系统大大降低。通过源的某种传输功率，有一个最佳的EH持续时间，最小化OP并最大化所考虑的系统的吞吐量。此外，更高的RSI使OP更快地停用地板。因此，基于源的传输功率和系统要求，我们可以选择适当的EH持续时间值，以实现更高的op性能和吞吐量。最后，我们通过Monte-Carlo模拟验证所有分析结果

本文其余部分组织如下：部分2描述了EH-FDR-V2V系统的系统和信号模型。然后,部分3.通过推导OP和吞吐量的精确封闭表达式，分析了所考虑系统的性能。部分4.呈现数值结果和讨论。最后，部分5.总结本文。

2.系统模型

数字1介绍所考虑的EH-FDR-V2V系统的系统模型。通过中继（R）的辅助，从静态源从静态源（D），移动车辆，也是移动车辆的数据。S和D有一个天线并以高清模式操作，而R有两个天线并以FD模式操作。实际上，R可以仅使用一个天线来发送和接收，即共享天线。然而，单独的天线的用法可以改善SIC能力，因为可以容易地应用诸如天线域中的SIC的各种方法，例如隔离，天线方向性和交叉极化[27］．由于R的电源是有限的，特别是当R在道路上移动并且长时间交换数据时，R需要从S发送的RF信号中收集能量，然后使用所有收获的信号进行信号传输。

无线系统中常用的EH协议有两种，即前面提到的TS和PS协议。此外，这两种协议的结合也已在文献中得到应用，以增加收集的能源量和SWIPT系统的性能。各种作品，例如[28-30.[展示PS协议可以提供比TS协议的更好的保密中的中断概率（SOP）和ergodic保密率。但是，TS协议的吞吐量优于PS协议的相对低信噪比（SNR）和高传输速率[31］．因此，我们将在本文中使用TS协议进行分析。

另一方面，由于S是静止的并且R是移动车辆，S和R之间的通道受到瑞利衰落的影响，因为接收器周围只有一组散射体[32那33］．同时，由于R和D都是移动车辆，R和D之间的通道受到双（级联）瑞利衰落的影响，因为在发射器和接收器周围有两个独立的散射体组[32-37］．

数字2图示了传输块中SWIPT接收器处的TS协议的操作 ．它包括两个阶段:EH和数据传输。在第一阶段，时间的持续时间随着时间的转换比率 ，用于R从S发送的射频信号中获取能量。在这一阶段，S可以优化发射波形以增强R处获取的能量用于从S到R的数据传输，并且从R到D.由于R同时接收来自S的信号并在同一时间和在同一频带上传输到D，从传输天线到R的接收天线的SI发生。与用于传输和接收的单独的天线，与共享天线相比，R可以具有更高的SIC能力。此外，R在持续时间内可以使用两个天线获得更高的收获能量。但是，在[38]表明，与仅使用一个天线进行EH相比，使用两个天线进行EH会降低系统性能。这是因为收获的能量越多，R的传输功率越高，SI的功率也就越大。因此，本文考虑了仅使用R的一个天线进行EH的情况。

持续时间对于EH，为R(表示 ）是（谁）给的 [1] 在哪里为S的平均传输功率;是从s到r的渠道的衰落系数;s和r之间的距离; 为路径损耗指数;和 能量转换效率，其值是恒定，但取决于电子电路的质量。

因为所有收获的能量用于数据传输，所以R的传输功率被计算为

在实际应用中，当达到某一饱和功率阈值时，EH电路的输出功率可能与收获的输入功率成正比 ．当输入功率超过时 那输出功率保持不变。有各种因素导致能量收割机的非线性特性，例如二极管和饱和非线性。非线性是二极管的内在特性。同时，通过对能量收集电路的实验确认饱和非线性[21那39-41］．由于这种非线性特性，非线性能量收集器R的传动功率可通过扩展(2),

持续时间 那R从S转发信号到D时接收信号。该操作从传输天线创建Si到R的接收天线。R和D的接收信号现在表示为 在哪里和分别是从传动到r和r到d的接收天线的距离; 那 那和分别是S-R通道和R-D通道的衰落系数，以及从传输天线到R的接收天线;和分别为S、R处的发射信号;和和分别是s和r的平均传输功率分别;和是高斯噪声，零均值和方差 那IE。， 和 ．

如(4.),这个词 是si。可以计算Si之前Si的平均力量 在哪里是期望运营商。

由于R可以在三个域中应用所有SIC技术，例如天线传播，模拟抑制和数字取消，因此SI功率大大降低。通过SI信道估计，可以有效地抑制SI，尤其是在数字消除域中。但是，由于SIC不完美，RSI（RSI）仍然存在于R.根据分析和测量，由于FD模式引起的RSI（表示 ）由复杂的高斯分布模型，零均值和方差[3.那8.那9.那42那43),是由 在哪里表示FD继电器的SIC功能。

在所有SIC技术之后，(4.）可以重写为

基于(8.） 和 （5.)， R处的信噪比(SINRs)(表示 ）和D(表示 ）考虑的EH-FDR-V2V系统分别计算为

当DF协议应用于FD继电器时，端到端的SINR（由 ）考虑的系统是计算为的

3.系统性能分析

3.1。中断概率分析

在本小节中，我们推导了OP的分析表达式，用于评价系统性能。在数学上，OP是这样计算的 在哪里(bit/s/Hz)为预数据传输速率;是所考虑的EH-FDR-V2V系统的端到端SINR（10.）;和 是SINR阈值。

从 （11.），所考虑的EH-FDR-V2V系统的OP是衍生在定理中的1．

定理1。在RSI的影响下，所考虑的EH-FDR-V2V系统的OP通过双瑞利衰落通道提供 在哪里 ; 为瑞利衰落S-R信道的平均信道增益;和是双瑞利R-D通道的平均渠道增益;是复杂性-准确性权衡参数; ;和表示第二种的一阶修改的贝塞尔函数[44］．

证明。更换在(10.） 进入 （11.）， 我们有 因此，很明显，当S-R或R-D链路处于中断时，可以发生操​​作，因为R不在S或D的覆盖区域中出现R.的覆盖区域。
替代和在(9.） 进入 （13.)，我们重写(13.), 应用条件概率的性质[45), (14.)成为 在哪里 ．
计算积分（15.），我们需要派生的分布和 ．由于S-R通道受瑞利衰落的影响，因此累积分布函数（CDF表示） ）和概率密度函数（PDF，表示 ）的是由 在哪里 为S-R通信链路的平均信道增益。
此外，由于R-D通道是双瑞利褪色通道，因此，被认为是两个独立变量的乘法和 那意思是 在哪里和是瑞利褪色通道的瞬时通道增益，平均通道增益 和 ．CDF和PDF的分别由[23那24那46] 在哪里是第二种的零阶修改的贝塞尔功能[44］．
现在,应用(16.），（17.），（18.）， 和 （19.)计算(15.）， 我们有 通过更改变量in (20.),也就是说, 那（20.)现在变成了 使用Gaussian-Chebyshev正交方法[47]来计算(21）， 我们有 在哪里 那 那和定义后（12.）.
堵塞(22） 进入 （21)，我们得到所考虑系统的OP，如(12.）.证明是完整的。

3.2。吞吐量分析

对于无线系统，除了OP之外，吞吐量也是一个需要评估的重要参数。因此，在本小节中，我们推导了所考虑的EH-FDR-V2V系统的吞吐量。

定理2。吞吐量(由 ）所考虑的EH-FDR-V2V系统的 在哪里和分别是predata传输速率和时间切换比和op是中断概率（12.）.

4.数值结果和讨论

在本节中，我们使用前一节中获得的OP和吞吐量表达式来评估所考虑的EH-FDR-V2V系统的性能。进行各种场景，以研究双瑞利衰落通道，RSI和时间切换比对系统性能的影响。Monte-Carlo模拟用于验证我们分析的正确性。在所有结果中，我们设定了平均值 那能量收集效率为 那路径损失指数是 (这与城市蜂窝网络环境类似[31)，以及距离(和 ）平均信道增益( 那 那和 ）被标准化为单位值，例如[14.那31那42］．

数字3.绘制考虑的EH-FDR-V2V系统的OP与使用(12.）在定理中1．为了评估双瑞利衰落信道的影响，我们还提供了该系统在R和D为静态(图中用“固定”表示)情况下的OP3.）.请注意，在这种情况下，S-R和R-D通道受瑞利衰落的影响。如果s和d在[17.]安装了单天线，[17.本文将成为“模拟（固定）”的情况。此外，我们模拟了所考虑的EH-FDR-V2V系统的OP，具有非线性能量收割机，饱和功率阈值是 并与采用线性能量采集器的系统OP进行了比较。从图中可以看出3.,  bit/s/Hz and 那所考虑的EH-FDR-V2V系统在双瑞利衰落信道下的OP性能比在瑞利衰落信道下的OP性能低5 dB。具有更高的数据传输速率，例如， 和 由于RSI的影响，双瑞利衰落信道下的OP仍然下降，而瑞利衰落信道下的OP由于RSI的影响几乎宕机。此外，由于饱和功率阈值的影响，采用非线性能量采集器的OPs比采用线性能量采集器的OPs到达楼层的速度更快  dB.

数字4.显示所考虑的EH-FDR-V2V系统的OP与时间切换率相比具有不同的SNR值，即， 那20,30,40和50 dB。对于一定的价值 那有一个最优解最小化所考虑系统的OP。例如，在  dB, the optimal ．当信噪比降低时，最佳增加，即， 为了  dB, 为了  dB, and 为了  dB. These results are reasonable for the considered system because it is obvious that, in low SNR regime (low transmission power of S), R needs a long time to harvest enough energy for transmitting signals. In the case of high SNR regime, R can harvest enough energy in a short time; thus, the optimal point is reduced. Based on these features, we can choose a suitable value of the time switching ratio to get the lowest OP of the considered system depending on the transmission power of S.

数字5.研究SIC性能的影响在考虑的EH-FDR-V2V系统的OP上。我们可以在图中看到5.具有较小的价值 那例如, 和-30 dB，RSI对OP的影响很小。因此，OP仍在SNR的评估范围内。但是，具有更高的价值 那例如, dB, RSI的影响是非常强的，特别是在高信噪比的情况下。特别是在0 ~ 30db的信噪比范围内，OPs具有 那−30和−20 dB非常相似。然而,当 dB，与OPs之间的差异  dB,  dB, and dB是非凡的。为 大调局，指挥室会在  dB. For a higher value of 那例如, 那−5、0 dB时，OPs进入停运层较早(在  dB). The outage floors are 那 那和 对应于  dB,  dB, and  dB, respectively. Therefore, all SIC solutions must be applied effectively to get the smallest RSI.

数字6.说明所考虑的EH-FDR-V2V系统的吞吐量与不同时间切换比下的平均信噪比 ．我们用 （23）在定理中2绘制吞吐量的分析曲线。我们可以看到导致吞吐量更高。这是因为较低意味着eh的持续时间减少;因此，增加了数据交换的持续时间。结果，考虑系统具有较高的吞吐量。较高 那数据交换的时间将会缩短，从而导致吞吐量的降低。它还注意到，尽管我们有更高的吞吐量与较低的 那使用少量值会降低系统性能，因为目的地(D)不能成功检测其消息。因此，我们需要结合OP性能和吞吐量来选择合适的 ．为方便起见对于考虑的系统，我们将研究吞吐量之间的关系在下一个场景中。

数字7.研究了所考虑的EH-FDR-V2V系统的吞吐量与时间切换比的关系 ．我们可以看到，在高信噪比情况下，时间切换比时吞吐量最高是最小的。例如，在 那40和30 dB，吞吐量是最大的 ．然而，具有较低的SNR，例如， 和10 dB，值 不是最大化吞吐量的最佳值。在这些情况下，吞吐量是最高的 和 为了 和 那分别。我们也应该提醒一下 不应用来获得最大吞吐量，因为何时 （没有时间EH），R的传输功率也等于零。在这种情况下，我们有 和 (指的是(23）））。基于数字4.和7.，根据OP和吞吐量的要求，我们可以选择一个合适的值对于考虑的EH-FDR-V2V系统。例如，在 那我们可以选择范围从0.1到0.3，获得高OP性能和吞吐量。

5。结论

通过EH技术的大优势，在本文中，我们通过双瑞利衰落通道的FD传输模式调查了EH-FDR-V2V系统在RSI的影响下的性能。我们成功地派生了所考虑的概率和吞吐量的封闭式表达式。根据这些表达式，通过各种场景调查系统性能。数值结果表明，与瑞利褪色通道的系统相比，考虑系统的性能大大降低。对于源传输功率的一定值，存在最佳的EH持续时间，可最大限度地减少OP并最大化吞吐量。因此，基于源的传输功率和系统要求，我们可以选择合适的EH持续时间来获得高op性能和吞吐量。此外，RSI在考虑系统中导致中断地板，特别是在高RSI的情况下。因此，在实践中部署FD系统时应使用有效的SIC技术。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

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