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        多跳AF中繼中的動態(tài)混合攜能通信研究

        2021-11-25 09:42:30李孟洋
        科學(xué)與生活 2021年16期

        摘要:本文以動態(tài)混合攜能通信為研究對象,探索其最佳狀態(tài)的優(yōu)化方式??紤]信源與信宿之間的中繼傳輸具有m跳與多跳等方式,以此搭建無線攜能通行的仿真模型。約束條件設(shè)置為總傳輸功率的限定性、吞吐量的科學(xué)設(shè)計,以此完成功率傳輸效率與信息傳輸能力兩者之間存在的平衡關(guān)系,獲得非閉合表達(dá)式,能夠計算特定位置、限定吞吐量時跳數(shù)最大值。仿真模擬實驗發(fā)現(xiàn):采取多重中繼跳數(shù)方案,科學(xué)調(diào)整參數(shù),能夠拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積,提升能源利用效率,達(dá)成最佳的攜能通信狀態(tài)。

        關(guān)鍵詞:傳輸功率;吞吐量;攜能通信

        引言:應(yīng)急通信系統(tǒng)適用性具有廣泛性,具體表現(xiàn)在:自然災(zāi)害信息反饋、事故隱患預(yù)警、公共衛(wèi)生事件警報等,此類事故具有發(fā)生的突然性、涉及面積的公眾性、事故影響的危害性,具有通信實時性、信息準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)真實性的需求。然而,事故發(fā)生時具有緊迫性,應(yīng)急通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求在于響應(yīng)速度。為此,探索攜能通信的最佳應(yīng)用方案,具有研究的必要性。

        1搭建模型

        1.1模型搭建依據(jù)

        以信源節(jié)點達(dá)到目標(biāo)節(jié)點為研究視角,探索其運動過程經(jīng)歷跳數(shù),分析其運行中繼系統(tǒng)的狀態(tài)。假設(shè)每個節(jié)點具有半雙工運行能力,且含有單個天線,由此結(jié)果有可能獲得多組天線。以網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積為發(fā)展方向,設(shè)定信源與目標(biāo)位置兩者之間不存在捷徑,同時設(shè)定多跳節(jié)點相互之間并不存在直接鏈路。信號實際攜帶的自信源節(jié)點,其內(nèi)在屬性表現(xiàn)在功率與信息兩個方面,中繼程序有多跳中繼節(jié)點予以完成,直至信號到達(dá)目標(biāo)節(jié)點為止。在每次跳躍時,中繼節(jié)點應(yīng)完成信源、前跳信號能量兩個參數(shù)的收集,繼而借助實際收集獲取的能量,完成信號下一次中繼跳躍,使其順利抵達(dá)目標(biāo)位置[1]。

        1.2參數(shù)設(shè)定

        在中繼跳的運行期間,設(shè)定m為跳數(shù),取值為1,2,...;dm表示在跳數(shù)中產(chǎn)生的節(jié)點間距;gm表示跳數(shù)產(chǎn)生中繼位置產(chǎn)生的因子,此因子具有放大性;則有關(guān)系式r0[k]=s[k],設(shè)定為鍵控信號,s[k]在取值-1與1兩個值時,存在等同的先驗概率;nma[k]作為第m個中繼射頻前方位置產(chǎn)生的噪聲;nmc[k]表示在第m個中繼射頻內(nèi)部位置產(chǎn)生的噪聲。此外,設(shè)定nma[k]=nmc[k]=0,兩個參數(shù)的方差為b12、b22,方差數(shù)值作為高斯隨機(jī)變量。

        1.3模型搭建

        假設(shè)每跳產(chǎn)生信號傳輸時間為T,單位為秒。在混合協(xié)議中,TS與PS形成的幀結(jié)構(gòu),搭建模型流程為:

        (1)中繼消耗時間為T,部分時間完成了信源與前跳信號能量兩個資源的收集,在m跳表示m中繼位置時間消耗比例,以TS因子作為表示方式,即xm,其中m為常數(shù),存在0≤xm<1的關(guān)系式。

        (2)中繼在T時間范圍內(nèi)收集的信號功率1-am,截取部分功率完成能量收集,在m中繼部分產(chǎn)生的功率消耗比例,以PS因子作為表示方式,即fm,其中m為常數(shù),存在0≤fm<1的關(guān)系式。應(yīng)關(guān)注的問題為:當(dāng)fm=0時,混合協(xié)議將會發(fā)展成為單向TS協(xié)議;當(dāng)xm=0時,混合協(xié)議將會發(fā)展成為單向PS協(xié)議。

        因此,在多跳AF中繼運行期間,前跳在信號接收過程中,實際產(chǎn)生的能量消耗,將會轉(zhuǎn)移至下跳。由此獲得m中繼位置在信號接收時的計算方式:

        rm[k]={(1-fm)Pm-1}-1×gm-1×{um/(dm)-1}×rm-1[k]+(1-fm)-1×nma[k]+nmc[k] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ....(1.3.1)

        關(guān)系式中:Pm-1表示在m-1位置的中繼節(jié)點,其實際產(chǎn)生的信號傳輸功率消耗;P0表示信源傳輸時產(chǎn)生的功率消耗;um是一種衰落系數(shù),對應(yīng)在m中繼位置,將此系數(shù)設(shè)為固定值,不具有變化的可能性;v表示信號傳輸消耗指數(shù)。在此基礎(chǔ)上,采取表達(dá)式的簡化方式,設(shè)定um為固定值,dm=1。當(dāng)距離確定的基礎(chǔ)上,{um/(dm)-1}=um,繼而簡化公式(1.3.1),獲得表達(dá)式為:

        rm[k]= gi {(1-fi+1)Pi}-1· uis[k]+ {{ gj· {(1-fi+1)Pi}-1} uj·[(1+fi)nia[k]+nic[k]]} ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? .....(1.3.2)

        表達(dá)式中:gi表示放大系數(shù),用于反映AF中繼產(chǎn)生收益。

        (3)固定收益gi的計算方式為:

        gi=1/(Pi-1△i+b12+b22)-1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ...(1.3.3)

        表示中△i取值為E{|ui2|},用于表示um衰落系數(shù)的對應(yīng)功率。

        (4)以公式(1.3.1)為基礎(chǔ),m中繼位置能量收集的計算表達(dá)式為:

        Ehm=q ui2 gi2 P· (1-fi)xmT+q ui2· gi2 Pi (1-fi)·(1-xm)fmT ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?...(1.3.4)

        計算表達(dá)式中h表示收集能量獲得的轉(zhuǎn)換效率。基于每跳能量傳輸時間消耗總計為T,為此,m節(jié)點位置功率傳輸?shù)挠嬎惚磉_(dá)式為:

        Pm=Ehm/T=q ui2 gi2 Pi· (1-fi)[xm+(1-xm)fm]...(1.3.5)

        在關(guān)系式(1.3.5)中,基于每跳能量傳輸時間消耗總計為T,為此,對T采取了歸一化處理。

        (5)m中繼位置產(chǎn)生吞吐量的計算表達(dá)式為:

        C0=(1-xm)log2(1+ym) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ...(1.3.6)

        Ym的計算方式為:

        Ym=( ui2 gi2 (1-fi+1)Pi(1-xm)T)/( { uj2 gj2 (1-fi+1)

        Pi[(1-fi]b12+b22}) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ...(1.3.7)

        當(dāng)m值增長時,每跳位置的能量收集能力,其加速能力將會削弱。為此,在能量收集過程中,存在增長變化的臨界值,將此數(shù)值設(shè)定為m,能量收集數(shù)量不充足時無法完成數(shù)據(jù)傳輸,由此引出臨界值的關(guān)系式,即:

        (1-xm)log2(1+ym)

        在此前,m跳中繼位置產(chǎn)生的吞吐量為C0,由此獲得:xm與fm兩個參數(shù),在P0初始化功率條件時,獲得了中級傳輸范圍的最大值[2]。此時xm與fm兩個參數(shù)對應(yīng)的表達(dá)式,能夠達(dá)成(1.3.8)關(guān)系式的臨界值。

        2仿真模擬

        2.1仿真數(shù)據(jù)設(shè)定

        開展仿真模擬計算,查驗多重因子收集、各類系統(tǒng)參數(shù)共同作用下,形成的中繼范圍最大值。在仿真實驗中,參數(shù)設(shè)定方式為:bma2=bmc2=0.01,um2=0.1;△m=0.1;m取值為常數(shù),即1,2,...;T取值為1,v取值為3,C0取值為3,y0=(u12P0T)/(bma2+bmc2),作為第一組中繼信噪比,此信噪比與能量P0、T兩個因素存在直接相關(guān)關(guān)系。

        2.2仿真結(jié)果

        模擬發(fā)現(xiàn):在多重混合因子中,產(chǎn)生具有差異性的y0、q、d參數(shù),在特定節(jié)點吞吐量時,能夠獲得跳數(shù)最大值。模擬與預(yù)期存在一致性,y0作為初始信噪比,具有參數(shù)較大的性質(zhì),q作為能量轉(zhuǎn)換數(shù)值較大的參數(shù),d間距數(shù)值相對較小,由此獲取跳數(shù)最大值。然而,在實際模擬分析中發(fā)現(xiàn):初始信噪比y0與能量轉(zhuǎn)換能力q兩個因素存在發(fā)展的限制性,且網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的影響因素為中繼間距與跳數(shù)兩個參數(shù)的乘積,當(dāng)間距d參數(shù)增加時,引起跳數(shù)相應(yīng)減少,由此網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的增加,無法依賴于間距d。對比y0、d、q三個參數(shù),可以發(fā)現(xiàn):網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積在增加時,具有較大決定性作用的是混合協(xié)議因子,即xm與fm[3]。

        在仿真模擬過程中發(fā)現(xiàn):xm與fm兩個參數(shù)在優(yōu)化處理時,將會獲得跳數(shù)最大值,然而fm數(shù)值較小,在優(yōu)化處理時,對其采取減小措施,旨在提升中繼信號運行所需的功率,用以末端幾跳完成長距離傳輸。此種優(yōu)化處理的原因在于fm數(shù)值較小時,引起TS部分占據(jù)優(yōu)勢,以此提升跳數(shù)增加的可能性,在末端幾跳中,無線星系傳輸能力逐漸減弱,由此應(yīng)借助fm的較大值提升信號傳輸?shù)墓β?。在?yōu)化處理過程中,借鑒了權(quán)衡思想,依據(jù)具體變化過程采取動態(tài)優(yōu)化措施,具有優(yōu)化措施的靈活性與針對性。

        由此說明:TS與PS兩個協(xié)議具有動態(tài)混合性質(zhì),無法保證通信傳輸?shù)钠焚|(zhì)與效率,且能夠完成的跳數(shù)最大值等同于TS協(xié)議;SWIPT協(xié)議中的TS與PS混合應(yīng)用,能夠提升攜能通信的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積,獲取能源利用的最大化效益;與此同時,在使用混合協(xié)議期間,應(yīng)盡可能地規(guī)避xm=0,fm=0的降級問題,應(yīng)借助假設(shè)間距實現(xiàn)簡化處理,間距可設(shè)定為1;多重相關(guān)間距獲取的加權(quán)跳數(shù),作為無線信號傳輸期間各跳中繼間距的總數(shù),間距總和=加權(quán)跳數(shù),在一定程度上影響著中繼網(wǎng)絡(luò)覆蓋的實際面積。

        結(jié)論:綜上所述,多跳AF中繼體系內(nèi)部實際運行的TS、PS兩種協(xié)議具有動態(tài)混合性質(zhì),在模型建立過程中獲得了雙參數(shù)混合的表達(dá)式,此表達(dá)式的形式為非閉合。借助數(shù)學(xué)分析軟件,計算出給定吞吐量作用下產(chǎn)生的中繼跳數(shù)最大值,由此計算每跳產(chǎn)生的能量與誤碼可能性。經(jīng)仿真模擬發(fā)現(xiàn):采取多重中繼跳數(shù)方案,科學(xué)調(diào)整參數(shù),能夠拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積,提升能源利用效率,達(dá)成最佳的攜能通信狀態(tài)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]李娜. 攜能通信網(wǎng)絡(luò)中具有非線性能量轉(zhuǎn)換效率的源端能耗問題研究[D].河北工程大學(xué),2020.

        [2]宋志群,劉玉濤,呂玉靜.無線攜能通信時隙與功率聯(lián)合優(yōu)化算法研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2020,52(05):35-40.

        [3]林浩男,毛明禾.多跳AF中繼中的動態(tài)混合攜能通信[J].電子測量技術(shù),2019,42(06):114-118.

        作者簡介:

        李孟洋(1986.11——),性別:男,民族:漢族,籍貫:黑龍江省齊齊哈爾市拜泉縣,單位:哈爾濱理工大學(xué),職稱:講師,學(xué)位碩士,研究方向:光學(xué)。

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