硬件损伤条件下的能量采集中继网络系统性能分析

李 超，郭道省，郭克锋

(解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007)

硬件损伤条件下的能量采集中继网络系统性能分析

李 超，郭道省，郭克锋

(解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007)

能量采集技术在能量资源有限的背景下得到业界的广泛关注和研究，并已取得了丰硕成果。考虑到实际系统中硬件很难达到理想状况，会不可规避地存在各种损耗，从而对通信过程产生诸多影响，将这些影响统一等效为硬件自身的等效噪声，将其定义为硬件损伤。考虑了硬件损伤条件下的能量采集系统，两个时隙里，中继采用译码转发和功率分割的能量收集策略，并就中断概率作为分析指标，对于系统的整体传输性能进行了衡量并做了简要的分析。分析的准确性和可行性由Monte-Carlo仿真结果予以证实。

中断概率；中继网络通信；能量采集；译码转发；硬件损伤

Abstract: Energy harvesting technique attracts a lot of attention with abundant of excellent works done already. For some further insights, we consider the condition that in the real wireless communication system, the hardware can not be easily assumed ideal, and the impairments do exist and can not be avoided by some engineering way. That makes a negative influence on the transmitting processing, which is non-ignorable. Thus, all the factors that have influence on the communication caused by the non-ideal hardware are summed up to be regarded as the equivalent noise themselves, defined as hardware impairments. The energy harvesting relay system under hardware impairments is investigated in this paper. In the consider of two-hop model, the decoding and forwarding (DF) protocol and power splitting strategy is chosen in the relay node. To give a numerical analysis result, the outage probability is picked out to be the evaluation standard metric, with the closed-form expressions derived in this paper also. In addition, Monte-Carlo simulation results verifies the correctness of this paper.

Key words:outage probability; relay communication networks; energy harvesting; DF; hardware impairments

0 引言

高频信号绕射能力差、覆盖面有限，中继系统凭借其优越的通信可靠性和良好的通信的覆盖能力得到广泛关注和应用[1-4]。除了频谱资源短缺，能量是另一个制约无线通信技术发展的主要因素。为延长系统的工作寿命，优化系统设计和提高能量效率，能量采集这一技术应运而生，目前在无线中继系统中得到了广泛应用[5-6]。

在能量采集中继系统中，信号接收端尽可能地收集信号发射端传来的可用能量并服务于下一步通信。这种能量收集的可能性主要基于射频信号既能传播信号也可以稳定传播能量，文献[7-8]就提出了无线瞬时信号能量同传(SWIPT)的概念。而根据能量收集的策略不同，又分为了功率切割(power splitting)和时隙切割(time switching)，前者将收集到的信号分为能量收集和信息传递两个部分，后者则将时隙分两个部分来分别传输信号和能量。

相较于传统的能量受限中继系统，能量采集系统可以在设备电池以外获取能量进行工作，保证网络系统传输的稳定性的同时，还可以有效地延长电池的使用寿命。因此相关领域已涌现出大量成熟文献，文献[9]基于单输入单输出SISO(Single-In-Single-Out)系统研究了能量采集中继通信系统，文献[10]则进一步扩展至多输入多输出MIMO(Multiple-In-Multiple-Out)场景。能量采集在效能上的优势和巨大潜力，激发了当下人们巨大的研究热情。

然而，在无线通信、中继通信发展日渐繁荣的同时，用户对于通信质量的要求也在不断提高。目前已知的研究大多是在理想的硬件条件下进行的分析，忽略了实际通信中不可规避的会导致通信质量受损的诸多元素，其中，受限客观自然环境和生产工业水平而导致的硬件损伤成为时下研究热点。硬件损伤是近来提出的一个等效噪声的概念。把通信设备端自身产生并难以消除的系列有损通信质量的诸多因素，包括I/Q支路不平衡、非线性功放产生的等效噪声以及射频电路噪声等，等效到硬件自身后统一定义为硬件损伤[11]。同时在文献[11]中，硬件损伤对于三节点通信系统模型的明显影响得到了可靠理论证明。受到之前的突破性工作启发，本文首先考虑双跳能量采集中继网络系统模型，选用功率分割为能量采集策略；然后以中断概率为性能分析标准，给出了Rayleigh信道下的相应的闭合表达式及渐进表达式；接着通过比较不同的影响因子方案下的性能分析，研究硬件损伤对于系统的影响，同时对于功率分割中的功率分配、时隙分配等现实问题提供有力参考；最后，所有的理论分析皆由仿真结果验证。

1 系统与信道模型

不考虑源节点S和目的节点D之间的直传链路，假设信号的传播只能借由中继节点R进行译码转发，考虑的系统模型如图1所示。当中继节点受到来自源端的射频信号时，并非所有的信号被以信息的方式转发给了目的端。这里假设中继可以同时对信号进行能量收集和信号转发的工作，那么收到的信号将会按照一定比例进行分配，其中占重λ的射频信号作为能量收集的来源，转化为中继下一步转发信号时的能量，同时余下的将携带信息在中继处进行接收、编码并在下一个时隙进行转发。当然并非所有接收到的能量都能服务于下一次的通信过程，这是源于能量采集有一定的转化效率，定义为η，即被用作采集源的能量只有η的能量最终转化为可用能源。

图1 系统模型

不同于时隙切割的采集方式，能量采集和信号转发可以同时进行，不会占用额外的时隙。系统由两个时隙组成，第一个时隙ρT里中继完成对接受信号的能量采集、信息攫取并编码，下一个时隙(1-ρ)T完成向目的节点的转发工作。其时隙组成图如图2所示。

图2 时隙划分

(1)

中继端采取的能量采集策略为功率切割，那么可将发射端的功率分为两个部分，其中Ph表示发射不携带信息只发送能量的的射频信号所需要的功率，反之，Ps为只携带信息的射频信号的发送功率：

Ps=(1-λ)P

(2)

Ph=λP

(3)

根据式(2)，将能量采集中继系统下的中继获取传输信息的接收信号ysp的表达式重新调整为：

(4)

其中，q1为第一时隙内的相关链路的信道增益，k1为源端到中继端的等效硬件损伤程度描述参数，N1为中继端处的高斯白噪声功率。中继接收信息的同时进行了能量采集，采集部分可转化的能量则可以表示为：

Eeh=ηTρPλq1=Pr(T-Tρ)

(5)

(6)

2 系统性能分析

为了对系统性能进行量化分析，本文选用了中断概率作为衡量指标。本节内容就分析指标列出了严格的闭合表达式，并给出了详尽的推理过程。

2.1系统的终端对终端SNDR

系统采用译码转发的协议，根据文献[11]，可得相应情况下系统的终端的对终端的SNDR，即：

γe=min{γ1,γ2}

(7)

其中的γ1和γ2分别表示系统中第一时隙和第二时隙里的SNDR，且它们的表达式可结合式(4)、式(6)分别表示为：

(8)

(9)

2.2性能分析

为了实现稳定传输，对于系统SNDR一定会有一个阈值的要求，即假定系统的瞬时SNDR低于一个既定的门限值时，系统将无法实现稳定传输，定义为通信中断。实际传输系统中，系统瞬时SNDR不可避免地会有一定的概率降到门限值以下，这个概率就是中断概率。如若设定门限值为x0，其表达式可以表达如下：

Pout(γe

Pout(γ2

(10)

式中Pout(γ1≤x0),Pout(γ2≤x0)分别表示第一、第二时隙里的SNDR低于系统稳定传输门限值的概率，其具体表达式如(11)、式(12)所示。

又由前面分析的系统中断概率可知，γe的中断概率CDF(Cumulative Distribution Function)即所求中断概率,如式(13)所示。

(11)

(12)

(13)

3 仿真结果

通过前文的分析，本节内容以仿真进行实现，并对结果的准确性加以论证。其中的SNR-dB定义为相应链路的发射功率与高斯白噪声比值。没有图例特殊说明时，考虑硬件损伤程度k1=k2=k=0.2，功率分割因子为0.5，时隙划分参数为0.5，采集能量转化效率为0.3。

图3 理想硬件与硬件损伤条件下的中断概率对比

4 结论

本文基于硬件损伤条件对于中继网络系统的性能进行了分析。SISO与MIMO系统中断概率对比如图4所示。通过理论推导以及仿真验证可以看出，MIMO系统相对SISO系统在提高接收增益上有着明显的优势，天线增加越多，系统中断概率越低，但不能忽视的是可能需要为此付出的代价，即硬件损伤的增加和能量效率的降低。仿真过程中也可明显看出，发射端的功率对于系统性能有明显的影响，功率分配对于实际系统设计有着深刻意义。

图4 SISO与MIMO系统中中断概率对比

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Performance analysis of energy harvesting communication network with hardware impairments

Li Chao, Guo Daoxing, Guo Kefeng

(College of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

TN925

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.018

李超，郭道省，郭克锋.硬件损伤条件下的能量采集中继网络系统性能分析[J].微型机与应用，2017,36(18)：59-62.

2017-02-26)

李超(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：卫星通信、协同通信。

郭道省(1973-)，男，博士研究生，教授，主要研究方向：卫星通信、无线通信。

郭克锋(1990-)，男，博士研究生，主要研究方向：卫星通信、协同通信。