文摘

SWIPT(同时无线信息和权力交接)DF(解码和转发)中继系统能够实现增加收入和减少开支的目的。通过分析全双工中继系统模型和传输特点,本文优化重传槽结构,提高系统性能。首先,建立了状态转换模型分析的基础上重传槽结构。其次,每个州的状态概率和状态之间的转移概率计算来获得总的数据通过率,能量传输效率,总传输时间。第三,为了比较不同性能的HARQ(混合自动重复请求)更有效地计划,JNTP(联合信息传输和能量传播的归一化吞吐量)。蒙特卡罗模拟最终确认提出tradeoff-HARQ方案优于regular-HARQ方案的JNTP: tradeoff-HARQ方案0.03883的性能高于regular-HARQ方案总功率限制时20 dB和0.00651高于regular-HARQ计划30 dB总功率限制时。

1。介绍

SWIPT(同时无线信息和权力交接)中继系统可以促进增加收入和减少能源支出(1]。这是一个重要的绿色通信技术(2- - - - - -4]。最近小米公司正式发布了自主研发的空间隔离SWIPT技术,实现室内SWIPT技术的实际应用。SWIPT继电器系统被认为是终极解决方案移动设备通过收集射频信号的能量充电设备,延长设备的使用寿命5- - - - - -7]。与此同时,继电器可以很容易地部署在附近范围的设备,可以提高信息传递的效率和能源传输同时8]。在文献[9),SWIPT继电器的两跳协作传输进行了研究。多天线中继被分成两个不相交的组的信息解码和能源收购,分别。文献[10]研究使用的可行性relay-assisted大容量MIMO(多输入多输出)来提高无线SWIPT的性能。的关键理念是使用冗余自由度提供了大量的基站天线阵列和信息直接传输能量/继电器用户在同一时间。

为了确保高速数据的可靠传输,该系统包括有效的错误检测和重传技术。HARQ(混合自动重复请求)策略包括两个部分:(1)错误检测,接收端口将接收数据错误检测,如果数据是错误的,开始重新传输和(2)传输,使用反向链接请求源端发送再一次(11,12]。在文献[13),低功耗传输策略的影响和不完整的信道状态信息的中断概率HARQ-assisted非正交多重存取系统通过使用积分域划分方法和扩展到与任意数量的用户场景。文献[14]显示混合自动重复请求重传方案的上行传输大型蜂窝网络和深入理解网络参数的影响(如功率控制参数)的上行覆盖性能。物联网的新HARQ方案提出了继电器:如果应答信号为负,继电器将选择一个合适的高阶调制星座传输源信号在一个传输插槽或几个时段;如果没有错误,则源将继续传输15]。在文献[16),建立了广义二维离散时间马尔可夫链模型,和状态转换概率分析。通过计算稳态分布的马尔可夫链,吞吐量和能源效率的封闭表达式未来车辆的移动网络。

尽管SWIPT HARQ技术研究系统有广泛的研究潜力,当前的研究是不够的。在文献[17),引入HARQ SWIPT直接联系,一个最优策略提出了针对最低预期重传时间。战略只使用接收到的射频信号来获取能量或互信息积累。基于深思熟虑的想法槽结构的全双工SWIPT DF(解码和转发)继电器,本文提出一种tradeoff-HARQ方案并分析其性能考虑信息传输和能量同时收购。总结了本文的主要贡献如下:(a)分析了重传槽结构根据系统模型的全双工SWIPT DF继电器。(b)状态转换模型,建立了计算状态之间的转移概率,然后构造了状态转移矩阵。(c)根据初始状态和状态转移矩阵,计算状态概率获取数据通过率,总能量收集效率和传输时间。(d)为了更有效地比较各种HARQ方案的性能,联合信息传输的归一化吞吐量和能源传输参数归一化后构造。

2。系统模型的全双工SWIPT DF继电器

如图1全双工DF继电器系统包括基站 ,继电器 ,和目标用户 。基站和用户都是在单天线的半双工模式。继电器是配备两根天线在全双工模式下;也就是说,它可以接收发送的信号基站和中继信号到目标用户在同一时间。的信道衰落 和 是由 和 ,分别,这是一个复杂的高斯分布的均值为零,方差 和 ,分别。等效噪声 在接收方 是一个复杂的高斯分布的均值为0,方差的 。一些负面因素,如误差放大器的非线性和自干扰的估计和重建,可能导致自干扰 由于全双工。由于自干扰消除技术的最新发展,全双工收发机可以同时发送和接收信号在同一频段,和自干扰造成的性能差距远远少于其他干扰信号(18,19]。 代表自干扰信道的信道衰落,这是意味着零和方差的高斯分布 。


图1
全双工的系统模型图SWIPT DF继电器。

一个缓冲区设置为继电器 存储接收到的数据 暂时的。不失一般性,它假定可以收到反馈信号没有错误和延迟和HARQ的发送的数量是有限的(假设 )。传输的信号 是复杂的高斯分布的均值为0,方差为1,和错误校正码可以达到信道容量。每个链接的接收者执行CRC(循环冗余校验)验证,验证结果反馈给发射机通过反馈链接:(一)标识符 反映了继电器是否成功接收到相应的反馈信号 th帧数据, 表明国家继电器已经成功接收到 th帧数据, 显示不成功的状态(b)标识符 是否反映了 帧的数据 - - - - - - 链接成功了, 表明继电器的状态已经成功地收到了前一帧数据,和 显示不成功的状态

3所示。槽结构和状态转换模型

考虑信息传输和能量采集,每个传输帧(假设帧长度 ,和传输所需的时间框架 ,系统中保持不变)分为两个时段:信息传输插槽和能源传输插槽。信息传输的占领时间槽 ,和能量传输插槽 ( 信息传输插槽的比例)。

根据两个链接的状态,系统分为四个州( 是用来标记数据帧传输的实际数量; 是用来标记数据帧传输的实际数量):(一)双正常数据帧,表示 ,也就是说, 和 。两个链接 和 继续发送新的数据帧。接收到的信号的表达的链接 和链接 如下: (b)双中继,表示 ,即。 和 。链接BR和理查德·道金斯继续转播前一帧的数据。接收到的信号的表达的链接 和链接 如下: (c)继电器能源collection-relay重新传输帧,表示 ,也就是说, 和 。在这种情况下,接收天线的继电器是用于收集能量,发射天线是用来转播前一帧的数据。链接的接收信号的表达 如下: (d)目标用户收取基能源站重新传输帧,这是记录 ,也就是说, 和 。在这种情况下,用户的接收天线是用于收集能量,和前一帧的基站重新传输数据。链接的接收信号的表达 如下:

不失一般性,它假定所有渠道服从准静态瑞利衰落,也就是说,信道的传输质量不会改变的传输框架。根据每一帧的接收信号表达式,平均信噪比的链接 和 见方程(5)和(6),分别。

系统所需的数据率阈值的记录 。根据信道容量和中断概率的定义,中断概率 在链接理查德·道金斯是 。因此,在传输相同的数据 次 通道和接收到的信号结合的最大比例,中断概率 约等于 。

图2显示了系统状态转换图。根据是否 和 接收数据包成功与否,它可以分为五种类型:(一) 表示正常传输状态和链接 和 发送新数据(b) 代表了中继重传状态;中继传输后 次,继电器成功接收到 帧数据,但是 仍然没有收到 帧数据成功(c) 表示传输基站的状态;也就是说,D成功接收 帧数据后 传播,但继电器仍未收到 帧数据(d) 显示基站和中继传输状态;也就是说, 传输 次, 传输 次,但 无法接收 帧数据和 无法接收 帧数据(e) 表明 和 成功接收数据 次传播


图2
状态转换模型图。

状态转换概率根据独立事件公式和计算条件概率公式:

因此,状态转移方程如下: 状态转移矩阵在哪里吗

是初始状态,其状态概率是吗 。

计算每个状态的概率是由状态转移方程:

4所示。联合信息传输和能量传输的归一化吞吐量

无论是否链接 或 无法解码的数据传输时间达到极限后,传输的数据将被丢弃。因此,后 (例如, 传输),系统仍未包括美国 , ,和 。中断概率是上面的状态概率的总和。用每个状态的概率,得到系统的中断概率如下:

美国的系统成功地从基站接收的数据包括所有 ,也就是说, 。然后,整个系统的数据传递速率

传输的状态 , , ,和 都是 次了。当系统停止传输,可能状态 , , ,和所有 州。因此,每一帧的总传输时间

当系统处于这种状态 ,火炬传递将在能量收集在下一帧的状态。此外,第一部分的每一帧的系统也可以用于能量收集,此时能量收集 。因此,继电器的总功率能量收集 在哪里 表示接收到的能量转换效率。

同样,的总功率 能量收集每一帧

为了更好地研究能量传输和信息传播的关系,能源传输功率归一化: 在哪里 和 。

不失一般性,JNTP(联合信息传输和能量传播的归一化吞吐量)被定义为

在multi-SWIPT继电器的场景中,中继选择是一个非常重要的问题,它可以有效地提高系统的信息传输速率和能量传输速率(20.]。无线电波的信道衰落相关信息的传输距离。我们假设之间的距离 和 是 ,之间的距离 和 是 ,和路径损耗指数 。根据大规模衰退multislope模型,信道衰落的方差之间的关系和终端距离如下: 和 。因此,继电器选择的问题可以通过寻找最佳解决中继位置( ):

5。蒙特卡罗模拟

在本节中,蒙特卡罗模拟用于验证的理论价值。仿真软件MATLAB,和一般的仿真参数如下:传播的数量是有限的 (换句话说,重传的数量是有限的,2),和数据率阈值 , , ,和 。

提出的JNTP tradeoff-HARQ计划和regular-HARQ方案 图中给出了3。仿真条件 dB, 。“+”和“○”这个数字的仿真曲线和理论曲线JNTP tradeoff-HARQ下计划。无名曲线是regular-HARQ方案。比较理论值与仿真值,可以看出,有一个小的错误在低信噪比(少于10 dB),但误差可以忽略其他的信噪比,因此可以认为理论值JNTP可以近似模拟值。这个数字表明,JNTP tradeoff-HARQ方案的性能优于regular-HARQ计划。在低信噪比等 dB, JNTP tradeoff-HARQ方案0.22高于regular-HARQ方案。在高信噪比,比如 dB, tradeoff-HARQ方案仍比regular-HARQ计划,和它的优点是减少到0.02。


图3
提出的JNTP tradeoff-HARQ计划和regular-HARQ方案EB。

图4描述了联合不同方案下归一化吞吐量 。仿真条件 dB, ,和马克是一样的人物3。如这个图所示,当 接近20 dB,提议的JNTP tradeoff-HARQ计划达到最大。的自干扰信号继电器与中继传输功率增加,和接收到的信号干扰噪声比的继电器的增加减少 。


图4
的JNTP 在不同的方案。

为了更好地见解,不同方案的JNTP曲面如图5。虚线是regular-HARQ方案。如这个图所示,该tradeoff-HARQ方案优于regular-HARQ计划在大多数情况下 和 。低信噪比的优势是显而易见的。


图5
不同方案的JNTP曲面。

图6阐述了JNTP和距离参数的变化趋势不同的方案在不同的总功率限制。仿真条件是总功率限制在20 dB和30 dB,曲线和马克这个图所示。为了研究继电器位置和性能之间的关系,我们假设之间的距离 和 是1,和之间的距离 和 是归一化距离参数 。为便于描述,模拟图6假设 位于之间的联系 和 。当总功率限制在20 dB和参数的距离是0.54,tradeoff-HARQ JNTP的方案和regular-HARQ达到最大值的0.95937和0.92054,和0.03883 tradeoff-HARQ方案的性能高于regular-HARQ。当总功率限制在30分贝,最大的值分别为0.99345和0.98694,(当参数的距离是0.63)。0.00651 tradeoff-HARQ方案的性能高于regular-HARQ计划。


图6
JNTP和距离参数的趋势图在不同的总功率限制。

6。结论

为了发展SWIPT DF继电器的潜力,提出了全双工的tradeoff-HARQ方案SWIPT DF继电器。首先,系统模型和传输槽结构使用全双工中继的特点进行了优化。然后,建立了状态转换模型通过分析槽结构。此外,每个状态的状态概率和转移概率计算获得总通过率,能量收集效率,总传输时间。最后,为了更有效地比较各种HARQ方案的性能,共同构造归一化吞吐量。仿真结果表明,提出的联合归一化吞吐量tradeoff-HARQ方案优于regular-HARQ方案。当总功率限制在20 dB, tradeoff-HARQ方案0.03883的性能高于regular-HARQ计划。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文得到了中国国家自然科学基金(61701251,61701251,61701251,61801236,61806100,和61872423),自然科学基金中国江苏高等教育机构(20 kjb630003),和江苏省自然科学基金(批准号BK20160903)。