摘要：本文以動(dòng)態(tài)混合攜能通信為研究對(duì)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(jì)，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(jì)算特定位置、限定吞吐量時(shí)跳數(shù)最大值。仿真模擬實(shí)驗(yàn)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(bào)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(shí)時(shí)性、信息準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)真實(shí)性的需求。然而，事故發(fā)生時(shí)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(diǎn)達(dá)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為研究視角，探索其運(yùn)動(dòng)過程經(jīng)歷跳數(shù)，分析其運(yùn)行中繼系統(tǒng)的狀態(tài)。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有半雙工運(yùn)行能力，且含有單個(gè)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(shí)設(shè)定多跳節(jié)點(diǎn)相互之間并不存在直接鏈路。信號(hào)實(shí)際攜帶的自信源節(jié)點(diǎn)，其內(nèi)在屬性表現(xiàn)在功率與信息兩個(gè)方面，中繼程序有多跳中繼節(jié)點(diǎn)予以完成，直至信號(hào)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為止。在每次跳躍時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)應(yīng)完成信源、前跳信號(hào)能量?jī)蓚€(gè)參數(shù)的收集，繼而借助實(shí)際收集獲取的能量，完成信號(hào)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(yùn)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(diǎn)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(hào)，s[k]在取值-1與1兩個(gè)值時(shí)，存在等同的先驗(yàn)概率;nma[k]作為第m個(gè)中繼射頻前方位置產(chǎn)生的噪聲;nmc[k]表示在第m個(gè)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(gè)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(hào)傳輸時(shí)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(shí)間為T，部分時(shí)間完成了信源與前跳信號(hào)能量?jī)蓚€(gè)資源的收集，在m跳表示m中繼位置時(shí)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(shí)間范圍內(nèi)收集的信號(hào)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(shí)，混合協(xié)議將會(huì)發(fā)展成為單向TS協(xié)議;當(dāng)xm=0時(shí)，混合協(xié)議將會(huì)發(fā)展成為單向PS協(xié)議。

因此，在多跳AF中繼運(yùn)行期間，前跳在信號(hào)接收過程中，實(shí)際產(chǎn)生的能量消耗，將會(huì)轉(zhuǎn)移至下跳。由此獲得m中繼位置在信號(hào)接收時(shí)的計(jì)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(diǎn)，其實(shí)際產(chǎn)生的信號(hào)傳輸功率消耗;P0表示信源傳輸時(shí)產(chǎn)生的功率消耗;um是一種衰落系數(shù)，對(duì)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(hào)傳輸消耗指數(shù)。在此基礎(chǔ)上，采取表達(dá)式的簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jì)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(duì)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(jì)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(jì)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(shí)間消耗總計(jì)為T，為此，m節(jié)點(diǎn)位置功率傳輸?shù)挠?jì)算表達(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(shí)間消耗總計(jì)為T，為此，對(duì)T采取了歸一化處理。

（5）m中繼位置產(chǎn)生吞吐量的計(jì)算表達(dá)式為：

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

Ym的計(jì)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(zhǎng)時(shí)，每跳位置的能量收集能力，其加速能力將會(huì)削弱。為此，在能量收集過程中，存在增長(zhǎng)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(shí)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(gè)參數(shù)，在P0初始化功率條件時(shí)，獲得了中級(jí)傳輸范圍的最大值[2]。此時(shí)xm與fm兩個(gè)參數(shù)對(duì)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(jì)算，查驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(diǎn)吞吐量時(shí)，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(duì)較小，由此獲取跳數(shù)最大值。然而，在實(shí)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(gè)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(gè)參數(shù)的乘積，當(dāng)間距d參數(shù)增加時(shí)，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(duì)比y0、d、q三個(gè)參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)：網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積在增加時(shí)，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(gè)參數(shù)在優(yōu)化處理時(shí)，將會(huì)獲得跳數(shù)最大值，然而fm數(shù)值較小，在優(yōu)化處理時(shí)，對(duì)其采取減小措施，旨在提升中繼信號(hào)運(yùn)行所需的功率，用以末端幾跳完成長(zhǎng)距離傳輸。此種優(yōu)化處理的原因在于fm數(shù)值較小時(shí)，引起TS部分占據(jù)優(yōu)勢(shì)，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(hào)傳輸?shù)墓β省Ｔ趦?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(dòng)態(tài)優(yōu)化措施，具有優(yōu)化措施的靈活性與針對(duì)性。

由此說明：TS與PS兩個(gè)協(xié)議具有動(dòng)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(shí)，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(jí)問題，應(yīng)借助假設(shè)間距實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(hào)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(shí)際面積。

結(jié)論：綜上所述，多跳AF中繼體系內(nèi)部實(shí)際運(yùn)行的TS、PS兩種協(xié)議具有動(dòng)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(jì)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(jì)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)：

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[2]宋志群，劉玉濤，呂玉靜.無線攜能通信時(shí)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(bào)，2020，52（05）：35-40.

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

作者簡(jiǎn)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)。