1 引言
近年来，不断扩大的信息通信技术(Information and Communication Technology，ICT)产业规模，大量普及的智能移动终端，以及激增的数据流量需求和无处不在的无线接入服务，极大地增加了智能移动设备的能量消耗[1]。智能移动设备普遍由储电量受限的电池供应电能，而电池储电量已成为限制网络使用寿命的瓶颈，因为在过去数十年间，电池储电量并没有显著性扩大。针对设备实现低能耗，网络环境实现较长生命周期的需求，无线信息与能量协同传输技术应运而生[2]。
在以往的研究中，无线能量传输(Wireless Power Transfer，WPT)和信息传输(Wireless Information Transfer，WIT)应对不同的研究需求，衡量系统的好坏有不同的性能指标：无线能量传输侧重于能量传输效率最大化，而无线信息传输则偏重于在噪声干扰和信道衰减过程中信道传输速率最大化[3]。近年来，人们发现射频信号中同时蕴含信息和能量，通过调整设计，统一设计目标，WPT和WIT可以找到折衷点[4]。
在实际的通信网络中，信源发送的信息大多由多个可利用的中继协助转发。传统半双工中继传输的模式是前后时隙依次接收和转发。若中继在接收与转发两条线路中有一条线路状况不理想，将导致信息传输速率下降。因此传统半双工中继协作模式的性能受限于信道状况[5]。
为应对传统半双工中继传输技术的不足，本文采用协作传输技术。协作传输作为一种新型无线传输技术，通过多用户协作达到多用户之间的空间分集，能够显著提高无线传输的可靠性。作为一种新型的传输技术，协作传输技术可应用于无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)[6],中继蜂窝网络[7] ,移动网络[8]，无线携能网络[9]。
作为一种新型的能量传输技术，无线能量与信息协同传输的模式如下：没有电能供电的节点，在后续无线通信链路传输信号前，需要从周围的射频信号中收集能量并且储存[10]。这项技术的优点是不必配置容量受限的电池，同时对外界环境依赖性小，不必从自然环境中收集能量(如地热能、潮汐能、太阳能等)[11]。
目前，基于中继的无线信息与能量协同传输已有大量研究工作[12-14]。文献[12]考虑用于物联网应用的认知无线携能通信网络，其由主用户通信和认知通信系统组成，该文献提出了信息反向散射通信(BackCom)模式和能量收集模式的混合传输机制；文献[13]研究了具有反向散射模式的射频携能通信网络，节点在休眠状态下收集能量，在活动状态下以反向散射模式发送信息；文献[14]提出了一种包括混合接入点和多用户反向散射模式辅助的无线携能通信网络，通过最优用户的工作模式选择与时间分配，以最优传输策略得到最大化总吞吐量。
无线携能通信技术使得能量与信息资源得到了有效利用。为了满足绿色通信需求，无线携能网络能量效率的研究也得到广泛开展[15-17]。协作中继通信有两个重要性能指标，一是描述网络可靠性的中断概率，刻画网络在中继节点的帮助下成功传输信息的概率；二是描述网络能量利用率的能效[18]。针对SWIPT网络中可靠性与能效折衷问题，论文设计了基于TS的中继辅助信能同传协议与SWIPT中继接收机结构，研究了一种保障能效的自适应中继辅助信能同传协议。以能效作为目标函数，论文推导了能量收集约束下的系统中断概率，分别分析了系统中断性能(OP)与能效性能(EE)，分析了时隙切换因子对OP与EE的影响。
2 系统建模与假设
在给出信息与能量同传协议之前，论文给出以下假设[19]：
(1)发送端S1、S2和目的接收端D电路中信号处理的功率很小，可忽略不计。
(2)系统中所有信道均满足瑞利平坦块衰落。信道系数为hsir和hrd，在网络中一次单向传输信息完成的时间间隔T内，信道系数不变且相互独立。
(3)中继节点R储存能量空间足够大，同时信息缓存存储空间也足够大。故可忽略能量和信息的溢出问题。
图1为无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输场景图。SWIPT中继具有信息传输与能量收集功能。源节点S1和S2由电源供电，没有电能供应的中继R能量受限，R需要从S1和S2发送的射频信号中接收能量并存储，全部用于后续中继R到目的地节点D的信息传输。在中继R的辅助下，源节点S1和S2向目的地节点D分别发送独立的信号x1和x2。
本文假设SWIPT网络中节点信道模型为平坦瑞利块衰落。信道系数hi, j(i, j∈S,R,D,1,2)服从独立循环对称复高斯随机变量，在一次双向传输信息交换完成的时间间隔T内，信道系数保持不变。ni, j(i, j∈S,R,D,1,2)为加性高斯白噪声。
图1 无线携能网络基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输场景图
Fig.1 Relay-aided information and power transfer scenario based on time switching structure in SWIPT
图2为基于时隙切换的SWIPT中继接收机结构。该接收机由时隙切换器、能量收集器与信息收发机组成。Si发送的信号在(1-σ)T/2的时间内，由中继R的能量收集器收集能量，在σT/3的时间内，则由中继R处的信息收发机译码信息，其中σ∈[0，1]，中继能量存储器管理每个时隙的时隙切换因子。
图2 基于时隙切换的SWIPT中继接收机结构
Fig.2 SWIPT relay receiver structure based on TS
表1为基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法时隙分配表。假定T为一次双向传输的总时间，时隙切换因子σ表示信息传输的时间比例，σT表示用于信息传输的时间，平均分成三部分，依次为S1向R的信息传输，S2向R的信息传输，R向D广播信息。(1-σ)T表示中继R从发送信号xi(i=1,2)采集能量的时间，平均分成两部分，依次为从S1中收集能量，从S2中收集能量。在R向D广播信息阶段，R将收到的信息x1和x2进行合并，形成新的信号xR,并利用收集到的能量向D进行广播。
表1 基于时隙切换的中继辅助信息与能量传输方法时隙分配表
Tab.1 Time slot allocation table for relay-aided information and power transfer based on TS
传输链路分配时隙R从S1收集能量(1-σ)T/2R从S2收集能量(1-σ)T/2S1向R传输信息σT/3S2向R传输信息σT/3R利用收集到的能量向D广播信息σT/3
S1和S2分别以功率P1和P2广播信息x1和x2，用户D和SWIPT中继R都能收到此消息。用户D收到的信息ys1d和ys2d分别为：
(1)
(2)
其中，xi是单位功率信号；hs1d和hs2d分别为S1到D和S2到D链路的信道。特别地，ysid(i=1,2)并非D接收Si的直接有用信号，但能够辅助D从中继传送的混合信号xR中译码源信号。
同时，在中继信息收发机处理后，中继R收到的基带信号yr,i为：
(3)
其中，hs1r是Si到D链路的信道。在中继能量接收机处理后，中继从Si发送的源信号中采集到的能量为：
(4)
其中，0≤σ≤1为时隙切换因子，0<η≤1代表能量转换效率，
为Si到中继R的距离，m代表路径衰耗因子(自由环境下路径衰耗因子m=2)，T为双向传输的总时间。
在Si向x1和x2发送信号的过程中，中继收集到E1+E2的能量，并将收集到的能量全部用于后续向D广播信号。中继在向目的节点广播阶段的发送功率为：
(5)
收到的信号yr,1和yr,2先被中继合并成信号xR，之后以功率Pr向D广播信息。其中
xR=φ1yr,1+φ2yr,2
(6)
φi(i=1,2)为信号yr,1和yr,2的加权合并系数，选取如下：
(7)
其中，θ1+θ2=1。无论θi取何值，xR总是单位功率信号，式(7)具有一般意义，在文献[13]中亦采用[13]。
D收到中继R的广播信号：
(8)
由于可以从式(1)和式(2)中译码出x1(x2)，因此D能从接收信号yrd中除去干扰信号x2(x1)。获得无扰信号：
(9)
3 中断性能(OP)分析
将S1-D的传输链路作为研究对象分析中断性能。第一步分析S到D的链路互信息，第二步分析互信息小于指定速率的概率。根据式(5)中的Pr，同时考虑式(7)中选取的近似，可求出
的信噪比γ1为：
(10)
D已收到信号x1的两个副本，通过最大比合并(Maximal Ratio Combining, MRC)方法，目的节点合并收到的两个信号副本。其中，S1到D直连链路的信噪比为
目的节点接收到S1的互信息为：
(11)
当式(11)的互信息小于指定速率Rt时便会发生中断，中断概率为：
Prout=Pr(I1<Rt)
(12)
设定速率阈值Rt，采用信息与能量协同传输协议的系统中断概率可由下式计算：
(13)
其中，γ(·)表示不完全伽马函数，C≈0.5772为欧拉常数，
在上式中，
(14)
4 能效(EE)分析
定义能效为源端单位能量消耗下链路实现的信道容量或可达传输速率。能效表达式记为：
(15)
其中，Ii为Si-R链路的信道容量，(ESi-Ei)为Si-R链路的能量消耗。
上式可进一步表示为：
(16)
5 数值仿真与分析
文献[16]中提出了基于时隙切换的协作多用户传输(Time Switching-based Cooperative Multi-user Transmission, TSCMT)协议。该协议模型由一个源发送端，一个中继，两个目的节点组成。该文献仅分析了TSCMT协议中断概率，并未对能效进行分析。
本文系统模型可作为TSCMT协议系统模型的镜像，模型由两个源发送端、一个中继、一个目的节点组成。SWIPT中继R同时具有传输信息和收集能量功能。中继R能量受限，R需要从源节点S1和S2中收集能量并存储。它利用收集到的能量向目的节点D进行信息传输。在SWIPT中继R的辅助下，两个源节点向目的节点D分别发送独立的信号。本文系统场景图如图1所示。论文通过仿真研究了所提基于TS的中继辅助信能同传协议中断性能与能效，以及时隙切换因子对中断概率与能效的影响。
给定频带利用率Rt=1 bit/s/Hz，η=1，归一化距离dsid=1，S1和S2之间的归一化距离为1；信道噪声为高斯白噪声，噪声方差σ2=10-5；指数型随机变量的均值为|h|2=1。
图3给出了在不同源发送功率情况下，时隙切换因子对SWIPT网络中断性能的影响。由图可知，随着时隙切换因子的增大，用于信息传输的能量提高，链路可达速率提升，因此系统中断概率逐渐下降。在相同的时隙切换因子下，较高的源发送功率可以获得较低的中断概率。
图3 时隙切换因子对无线携能网络中断性能的影响
Fig.3 Effect of time switching factor on OP in SWIPT
图4给出了源-中继距离对SWIPT网络中断性能的影响。设时隙切换因子σ=0.5，当源节点发送功率较低时，随着源与中继之间距离的增加，中断概率缓慢上升。即当中继离源端较近时，采用本协议，可得到稳定的低中断概率。当源节点发送功率上升到足够大时(如PS=30 dB)，源与中继之间距离的增加对系统中断性能的影响则可忽略不计(中断概率几乎无变化)。
图4 源-中继距离对无线携能网络中断性能的影响
Fig.4 Effect of source-relay distance on OP in SWIPT
图5给出了能效与时隙切换因子的关系。假定源-中继距离小于归一化距离1，当近距离传输时，链路可达速率较大，但以损耗较大的能量为代价，所以能效偏低。由图可知，当源发送功率S1=10 dB，随着时隙切换因子的增大，用于信息传输的能量较大，链路可达速率增大，同时能量消耗的速度降低，因此能效逐渐上升。在相同时隙切换因子下，较高的功率转换效率能得到高能效。
图5 能效与时隙切换因子关系
Fig.5 Relationship between EE and time slot switching factor
图6给出了能效与源发送功率的关系。假定源-中继距离小于归一化距离1，当近距离传输时，链路可达速率较大，但以损耗较大的能量为代价，所以能效偏低。由图可知，当时隙切换因子σ=0.5，随着源发送功率的增加，有效提高了链路传输速率，但链路的能量损耗随之增加，故系统能效下降。与图5类似，当源发送功率一定时，高功率转换效率意味着高能效。但在相同的能效指标要求下，高功率转换效率所需较大的源发送功率。
图6 能效与源发送功率关系
Fig.6 Relationship between EE and source power
6 结论
论文以绿色无线携能网络为研究背景，研究了基于TS的中继辅助信能同传协议。在节点能量受限情况下，给出了基于TS的中继接收机辅助信息与能量传输方法，推导了SWIPT网络中继协作传输的中断概率和能量效率表达式。研究表明，高时隙切换因子在满足能效的性能要求时，能得到较低的中断概率。论文同时分析了源节点发送功率对SWIPT中断性能与能效的影响。为兼顾中断性能与能效，源节点不能以最大功率发送信号，应当以“最优”功率发送信号，以实现OP与EE的最佳折衷。
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