无线射频信息能量同传中继网络性能分析

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在无线网络中,传统的无线设备供能方式是电池供能,而随着越来越多的无线设备在复杂环境中的应用,电池更换困难、人为管理成本高的问题日益凸显。无线能量收集既无需频繁更换电池又可为设备提供稳定的能量,因此引起了业界的广泛关注。在无线信能同传网络中,无线射频信号可同时传输信息和能量。另一方面,信息长距离传输导致网络质量降低,协作中继技术可扩大网络覆盖范围,提高服务质量和数据传输可靠性。无线信能同传和协作中继技术可解决无线网络中节点能量受限和信息长距离传输的问题。在无线信能同传中继网络中,现有研究大多假设无论中继收集多少能量,都能正常工作,但中继受电路能量门限值的影响,可能因能量不足无法正常工作,导致系统发生中断。放大转发(Amplify-and-Forward,AF)和解码转发(Decode-and-Forward,DF)是两种常见的中继转发方式,因此本文在无线射频信息能量同传中继网络中考虑了系统性能受中继电路能量门限值的影响,分别在放大转发和解码转发方式下分析了系统性能,主要工作如下所示:(1)在放大转发协议下,针对能量受限的两跳多中继网络,考虑系统性能受中继电路能量门限值的影响,在莱斯衰落信道下推导出系统中断概率和吞吐量的闭式解,利用蒙特卡罗仿真证实了闭式解的正确性,并对比分析第一跳距离最短和两跳距离之和最短两种中继选择方案下不同参数对系统性能的影响。研究结果表明:增大时间分割因子,系统中断概率先减小后增大、吞吐量先增大后减小;莱斯因子越大,系统中断概率越小而吞吐量越大;增加源节点天线数量,系统中断概率减小吞吐量增加;中继电路能量门限值越大,中继能量受限的概率越大。对比两种中继选择方案可知:选择两跳距离之和最短时的系统性能要略优于选择第一跳距离最短时的系统性能。(2)在解码转发协议下,针对能量受限的两跳多中继网络,考虑系统性能受中继电路能量门限值的影响,在莱斯衰落信道下推导出系统中断概率和吞吐量的闭式解,采用蒙特卡罗方法证实了闭式解的准确性,并对比分析了第一跳距离最短和两跳距离之和最短两种中继选择方案下不同参数对系统性能的影响。研究结果表明:系统最低所需传输速率越大,系统中断概率越大,且在源节点总发射功率较小时,系统吞吐量越小,在源节点总发射功率较大时,系统吞吐量越大;增大系统能量转化效率,系统中断概率减小吞吐量增加;选择两跳距离之和最短时的系统性能要略优于选择第一跳距离最短时的系统性能。
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