基于能量收集全双工中继的NOMA系统性能研究.pdf

第 卷第 期太原科技大学学报 年 月 文章编号：（）收稿日期：基金项目：山西省重点研发计划（，）；国家大学生创新项目（）作者简介：任宇灿（），女，硕士研究生，主要研究方向为无线通信网络；通信作者：康琳副教授，：基于能量收集全双工中继的 系统性能研究任宇灿，康琳，董增寿，杨颜璐（太原科技大学 电子信息工程学院，太原 ；山西天然气有限公司，太原 ）摘要：针对全双工中继转发信号时存在的自干扰现象会降低系统性能的问题，在一个双用户下行链路全双工（）非正交多址（）中继网络中，从中断概率的角度分析了全双工中继的自干扰因素对系统中断性能的影响。其中，中继使用能量收集（）技术来辅助基站和远端用户之间的通信。整个通信过程分为两个阶段 能量收集阶段与信息传输阶段，即采用的是功率分配方案。通过推导，得到了远、近用户中断概率的闭式表达式，并利用蒙特卡洛仿真验证了理论分析的正确性。分析了 中继干扰消除系数对远、近用户的影响，得到了远用户中断概率最小时功率分配比的最佳值。关键词：；能量收集；功率分割协议；全双工；中断概率中图分类号：文献标识码：的主要思想是支持用户之间的非正交资源分配。许多研究人员已经证明，功率域 可以有效地用于满足 技术的要求，并可以进一步提高其他无线技术的性能。与传统的半双工（）中继相比，全双工（）中继由于其两倍频谱效率的能力引起了极大的关注。王豪等 研究了瑞利信道下全双工中继系统的性能。等人 研究了上行链路和下行链路同时传输的系统中 的可行性，结果表明，与 和 相比，能够提供显著的性能增益。在能量收集技术（）允许网络节点在接收器的无线电带宽内从周围的射频（）中获取能量，并将其转换为节点的功率，可为无线通信系统中能量受限问题提供解决方案。等人 提出了具有能量收集的 系统，利用从基站专用信号及自干扰信号中获取能量的近用户作为远用户中继，并推导出了系统近用户、远用户的中断概率，该系统性能优于基于正交多址（）技术的系统的性能。等人 在采用 协议的全双工中继 系统中，推导出系统中断概率和遍历速率，系统性能优于正交系统。但是，系统干扰消除系数等几个系统参数对用户中断性能的影响并没有清楚地呈现出来。本文考虑一个具有能量收集功能的协作 中继系统，分别推导了远、近用户的中断概率表达式，并分析了全双工中继的干扰消除对远、近用户的影响，确定了远用户中断概率最小时功率分配比的最优值，以实现所考虑的 中继系统的最佳性能。系统模型如图，在一个下行 中继系统中，基站使用 技术向两个用户 和 发送信号。由于 距离较远，需要一个中继 将 的信号转发给 使用 协议，将从 接收到的信号一部分用于能量收集，一部分用于信息解码，并将其转发给 假设系统中 、为单天线，为双天线，以全双工（）方式发射和接收信号。图 系统模型 系统所处信道为瑞利衰落信道，即 ，（，）、，（，）、，（，）、，（，）、，（，）、，（，）根据 原理，将混合信号 和 发送给 和 ，则 处接收到的信号为：，（槡槡）槡，（）其中：，是全双工中继 处的回环干扰信道增益。()（，）是每个接收机处的加性高斯白噪声（）表示源节点的传输功率，和 分别是 和中继的功率分配系数，满足 ，是 解码后的传输信号。定义自干扰消除后的剩余自干扰为，它可以表示为均值为 ，方差为 的复高斯随机变量，其中 是信号干扰抵消系数，表示中继节点的自干扰消除能力 。故，的接收信号可以表示为：，（槡槡）（）具体来说，接收信号在 处的总功率分为两部分：一部分用于能量采集，另一部分用于信号解码。设 ，（，）为功率分割系数。那么，处接收到的能量可以表示为：（，）（）式中：是能量转换效率。为信号传输周期。假设 收集的所有能量都用于将信号 转发给远端用户 ，则 的发射功率可以表示为：，（）另一方面，处接收到的信号一部分用于信息解码，表示为：槡 槡，（槡槡）（）式中：是解码噪声。根据 的解码原理，首先对 进行解码，并将 视为干扰。因此，处解码信号 的信噪比可以表示为：，（），（）（，）（）令，可以表示为：，（），（）（，）（）用户 处的接收信号可以表示为：槡，（）则用户 解码 的信噪比为：，（）用户 处的接收信号为：，（槡槡）槡，（）根据 原理，首先对 进行解码，并将 视为干扰。因此，解码信号 的信噪比可以表示为：，（）成功解码 后，将 从接收信号中移除，执行解码，解码 的信噪比为：，（）性能分析 用户 的中断概率定义成功接收消息 和 的最小数据速率分别为 和，同时假定 ，当可实现速率低于相应的目标数据速率时发生中断。当近用户 可以解码从 接收到的信号 和 时，不处于中断状态。因此，在 处的中断概率（用 ，表示）为：，（，）（）当 时，可以证明 ，时，由式（），的中断概率可以写为：第 卷第 期 任宇灿，等：基于能量收集全双工中继的 系统性能研究 ，(，)?（，），（）（）其中，(（），)（），（）因此，有：，?（，（），），（），?（，），（），（）令：?（，），（）（）其中，（）（）将式（）带入式（），并结合文献 式（），可以写成：?，（），()，（）?，()，（），（）?，?，()()，（）?，槡 ，槡()()，（）（）其中（）是第二类一阶修正贝塞尔函数。令 ，得到：，槡 ，?槡 ，槡槡()，（）由文献 式（），可以写成：，()，()（）将式（）代入式（），可以得到 的中断概率 ，为：，()，()（）其中，（）是 函数。（），（）用户 的中断概率当 不能解码从 接收到的 或 不能解码由 转发给 的 时，远用户 处于中断状态。因此，处的中断概率（由 ，表示）可以表示为：，（，）（）将式（），式（）带入上式，得到：，(（）（）（，），)（）令 ，则 和 可以写为：，（）（）太原科技大学学报 年：，（）（）令：，（）（）则 ，可以写成：，（，）?，?，（）由?（，）（，）?（）！（）（）（）！（）（）！（），可以写为：，()（）系统性能仿真分析本节基于前文的分析给出了仿真数值性能结果。仿真时选择的系统参数为：，功率分配系数 ，能量转换效率 ，以及 功率分配系数 ，此外，各用户数据速率的预定义阈值为 ，图 各用户中断性能分析 图 所示为 和 关于传输信噪比的中断概率。可以看出，在低信噪比下，的中断概率明显低于 而高信噪比时，的中断概率快速下降，的中断概率缓慢下降并达到底值。这是因为高信噪比时，进行干扰消除时的噪声干扰影响较大。图 所示为当自干扰消除系数 为 ，时，两个用户的中断性能。可以看出，并不影响 的中断概率，而极大地影响了 的中断概率。随着自干扰消除系数的增加，的中断概逐渐降低。图 的自干扰消除能力对用户中断性能的影响 图 表示了不同功率分配比下功率分配系数 对 和 中断性能的影响。可以看出，越大，中断概率越大，这是因为增加 使 处收获的能量增加，中继在 处引起的干扰功率增加，中断概率变大。而 的中断概率是随 的增大先减小，然后增加。这是因为随着中继收集能量的比例越来越多，发射功率越来越大，同时用于解码信息的能量变少，但此时相比于其他信号和噪声的干扰功率，中继的发射功率占主导地位，使图 不同 对用户中断性能的影响 第 卷第 期 任宇灿，等：基于能量收集全双工中继的 系统性能研究得 的信噪比增大，中断概率呈现下降趋势；足够大的时候，即 左右，中继用于解码信号的能量将突破阀值，这个时候虽然中继发射功率相比之前变得更大，但是由于用于解码信号的能量太少，的中断概率反而会越来越大。结论本文分析了一个下行 全双工中继系统，其中近用户可以与基站直接通信，而远用户和基站之间的通信需要 中继的支持，该中继使用功率分割协议从无线电信号获取能量。推导出了两个用户的中断概率的精确解析表达式，并进行蒙特卡罗仿真验证。结果表明，当中继获得更多能量时，成功解码从基站接收的信号的可能性降低，导致远端用户的中断性能下降。因此，基于本文的推导，可以找到一个满足远端用户服务质量要求的最优功率分配比。参考文献：王豪，董增寿，康琳，等 瑞利信道下全双工中继系统性能研究 太原科技大学学报，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，（，；，）：，（）（）（），：，太原科技大学学报 年