基于功率划分的能量收集协作中继传输系统的中断概率分析

1、 密级： 公 开 学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR题 目 基于功率划分的能量收集协作中继传输系统的中断概率分析学 院： 信息工程学院 系 电子系 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 起讫日期： 学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留

2、、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期：导师签名： 日期： 摘要基于功率划分的能量收集协作中继传输系统的中断概率分析专 业：通信工程 学 号：学生姓名： 指导教师：摘要在基于结合协作无线通信技术和能量收集技术的基础上的多用户无线传输系统中，本文主要研究了在中继中使用功率划分策略对无线网络系统中信息传输过程中

3、断概率的影响。论文中假定的是在一个具有一个源点，两个目的点和一个具有有限能量中继的多用户无线网络传输模型中，此外，中继采用放大转发的方式。文中提出了一种基于功率划分的协作多用户传输（PSCMT）协议，分析了该协议的中断概率性能，且在此协议基础之上，考虑了源点发射功率，中继位置以及功率划分因子对无线网络传输系统中断概率的影响。为了评价系统的性能，本文先理论性地分析了PSCMT协议的系统中断概率，获得了中断概率的具体表达式。最后，在进行仿真之后，对结果进行了分析并与原先的分析进行了对比，数值结果很好地证明了之前的分析。同时，揭示了相比于传统的非协作方式，PSCMT协议可以在不增加外部供能的前提下可

4、以获得更低的系统中断概率，同时较好地实现了绿色通信。关键词：协作无线通信技术;能量收集技术;无线网络传输系统;中断概率;放大转发;绿色通信IIIAbstractOutage Probability Analysis of Cooperative Transmisssion based on power splitting with Energy Harvesting RelayAbstractBased on a combination of cooperative wireless communication technology and nenrgy harvesting technolo

5、gy,the paper studies the effect of power splitting strategy used in relay on wireless network transmission system outage probability.Paper assumed that a multiuser wireless network transmission model consist of a source node ,two destination node and a relay node.In addition，the relay adopts amplify

6、-and-forward.This paper also proposed a power splitting-based cooperative multiuser transmission（PSCMT）protocol and analyzed its outage probability performance.Based on this prococol,we considered the effect of source node transmission power,the relays location and the power splitting factor on wire

7、less network transmission system outage probability. To evaluate the performance of the system,paper firstly theoretically analyze the system outage probability of PSCMT protocol,then achieve explicit expressions of system outage probability.Finally,after performing the simulation,numerical results

8、were analysed and perfectly prove the former analysis.At the same time,the numerical results reveal that PSCMT Protocol is a reliable solution to gain lower system outage probability without consuming extra energy compared with traditional non-cooperative scheme.Whats more,it realizes green communic

9、ation.Keyword：cooperative wireless communication technology;energy harvesting technology;wireless network transmission system;outage probability;amplify-and-forward;green communication目录目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究背景与意义11.2 研究现状21.2.1 能量收集技术21.2.2 协作中继技术31.2.3 论文结构安排4第二章 基于功率划分的协作多用户传输（PSCMT）协议52.1

10、系统模型52.2 接收机结构52.3 PSCMT协议描述82.4 PSCMT协议的中断概率分析82.5 本章小结11第三章数值仿真及分析123.1 功率划分因子对系统中断概率的影响123.2 源节点功率对系统中断概率的影响133.3 中继位置对系统中断概率的影响143.4 本章小结14第四章 总结与展望164.1 总结164.2 展望16参考文献17致谢19第一章 绪论第一章 绪论本部分主要介绍能量收集技术与协作中继技术的出现背景及意义，并且对这两种技术在国内外的当前研究现状进行了了解。1.1 研究背景与意义能源是人类生存与社会发展十分重要的物质基础，能源发展已经历了木柴时代、煤炭时代、油气时

11、代和电气时代的几个过程。近几十年来，尽管加快了水能、风能、太阳能等清洁能源的开发和利用，但全世界能源供应主要还是来自化石能源。全球虽然有较大储量的化石能源，自从工业革命之后，人类对化石能源已进行了数百年大规模的开发利用，全球能源消费已呈现总量和人均能源消费量持续“双增”的趋势。此外，在世界人口增长、工业化、城镇化的影响下，全球一次能源消费总量从53.8亿吨标准煤增长到181.9亿吨标准煤，近50年的时间增长了2.4倍。亚太地区已成为了能源消费增速最快、总量最大的地区，而中国的能源消耗增速已连续14保持世界最高一次能源消耗增速。截止到2014年，根据煤炭、石油、天然气的剩余探明可采储量，可分别开

12、采113年、53年、55年。因此，全世界现在正面临着严峻的资源枯竭、污染排放严重两个问题。当前在所有社会行业中，信息通信技术是发展最快的行业，随之带来的能源消耗以及C0排放量也迅速增长。根据相关的统计，ICT（Information and Communication Technology）产业产生的C0占全球总排放量的2%，能源消耗占据全球总能源消耗的3%，而能源消耗的57%来自移动通信，而无线接入网部分消耗了移动通信系统中的大部分能量1。随着使用手机人数的增加，移动网络系统每年在能量消耗方面以30-40%的速度增长，我国目前通信业每年耗电量大约为200多亿度2。此外，大部分的移动设备都是由

13、电池供能，而电池储能有限，关于电池容量的技术一直未取得突破性进展3，这使得无线通信网络的工作时间无法延长。因此，在保证良好通信质量的前提下，延长网络的工作时间是未来无线通信网络面临的重要问题。要延长无线传输网络的工作时间，提高通信质量，即解决网络中设备能量受限问题。从解决设备供能问题上，当前国际学术界研究方法主要有两个：一、设计有效的通信协议合理分配通信网络中的资源来减少系统的能耗；二、采用能量收集技术来利用周围环境中存在的各种形式能量（如太阳能、风能、热能、振动能等）4为能量受限节点供能。针对上面两个研究方法，在合理分配通信网络资源方面，涉及到时隙、频率、及功率的分配，而功率分配最重要。功率

14、分配包含总功率不变时的分配和节点功率受限时的分配。功率分配的优化方法要根据目标来确定5。传统的能量源（太阳能、风能、振动能等）因其无法持续稳定的供能，不确定因素较多，不易控制。由于现在我们周围存在着大量的射频信号（蜂窝信号、Wi-Fi信号等），因此，较有应用前景的是从周围的射频信号中收集能量。相对于有线通信网络，在无线通信网络中，衰落、多径和节点的移动等因素都将导致通信环境较差，这极大地影响了无线通信的通信质量和信息传输速率。此外，使用无线网络的用户和无线网络业务不断增多，频谱资源紧缺，这些都要求无线网络具有较高的通信质量与传输速率。传统的无线通信技术已接近香浓极限了6，为了充分利用无线通信信

15、道的开放性和广播特性，一种利用通信节点间协作行为的技术出现了，即无线协作中继技术。无线协作中继技术可以抵抗信道衰落、扩大网络覆盖范围（用辅助中继）、改善小区边缘特性、消除覆盖盲点并且可以提高传输速率。协作中继技术基本的思想是利用分布在源点和目的节点周围的其他节点在两者进行通信时建立多条虚拟的空间路线来完成信息的传送。传送过程一般分为两个阶段：一、源节点将信息同时发送到目的节点和中继中；二、中继向目的节点转发来自源节点的信息。因此，综合上述技术背景，在带有能量收集协作中继的多用户传输系统中，研究更佳的传输协议来降低无线传输系统的中断概率，将不仅能提高无线网络系统的通信质量，解决无线通信中的设备能

16、量受限问题，还能一定程度上缓解世界性的能源问题以及降低CO2的排放。1.2 研究现状1.2.1 能量收集技术能量收集是一种将环境周围分布式能量收集起来并转换成电能的技术7。常见的可以用于收集的能量有机械能（压电振动、人类活动等）、热能（地热能、导体间的温度差等）、光能（太阳能）、电磁能（如射频信号）。相比于从传统能源（太阳能、风能、热能等）中收集能量，从周围广泛存在的射频信号中收集能量近些年受到了研究者们的热切关注。当前，国际上已有不少的高校及企业针对射频能量在无线传感器、生物医学电子方面进行研究89取得较多的研究成果。在设计能量收集装置中，必须要充分考虑三个部分：接收部分中的接收天线、灵敏度

17、、接收后能量的转换效率。在接收天线方面，科学研究者经过长时间的研究做了大量的努力已取得不小进步，但是天线的微型化、频谱带问题仍旧没有突破性的进展。因为现在许多无线设备都在追求小型化，因而天线要想在小设备中应用也必须做到微型化才可解决其占用空间大的问题。其次，空中的射频能量较低，频带宽度大，这要求接收天线能够接收到较大带宽的射频信号。能量收集装置工作的最大范围是由装置的灵敏度决定的。射频信号时强时弱，这就要求能量收集装置能够自动适应。当射频信号弱时，需要高灵敏度的能量收集装置来工作。能量收集装置灵敏度主要是由在接收天线和整流器之间的匹配情况、整流器阈值电压的大小决定的。灵敏度方面当前已获得了较大

18、的提高，但在需使用数十级的整流电路中，芯片的面积过大，这衍生了一系列其他复杂问题10。能量收集装置的转换效率受射频信号强弱的影响，射频信号较强时，能量转换效率相应的较高，但射频功率下降时，效率也降低11。提高能量转换效率的方法主要有补偿外部阈值、内部阈值和自阈值，这能够加快MOS管的导通速度。射频能量收集技术有两种基本的结构。一种是由整流天线、储能元件、DC/CD转换器、负载组成。第二种是由接收天线、RF/DC整流器、阻抗匹配电路和负载组成。在发射源的选择上，有两种方法:一、利用周围的射频信号源；二、某些特殊的发射源，如射频信号生成器12。尽管近十多年来国际上对射频能量收集技术的研究从未断过，

19、但和其他的能量收集技术相比（太阳能、风能等）所进行的研究还还远不够，距离应用还有较大的距离，难点主要在以下几个方面：一、电磁能量收集系统的宽频化；二、天线的尺寸；三、引入功率管理电路适应射频信号的波动性及负载条件的改变；四、射频信号功率密度低、频率范围广与特定发射源的匹配。从现有的研究和发展趋势来看，当前这方面的研究工作在快速进行，可以预见，射频能量收集技术在不久的将来将会给人类生活带来重大的改变。1.2.2 协作中继技术协作中继技术的思想来源于中继通信，1971年，Van Der Meulen研究了只有三个终端的无线中继网络13，协作中继技术最早可以追溯到1979年Cover和El Gama

20、l对中继信道容量的研究14，其中心思想是通过通信网络中空置的天线中转信息，以增加有效空间连接的冗余度来得到分集增益。典型的中继结构主要是由源点、中继节点、目的节点组成,且都工作在相同的频段。提出了一个系统可以分为两个信道：广播信道和多址信道，通过随机编码获得出了离散无记忆中继信道的容界量。现如今，典型的三节点中继信道已进一步被扩展了，如多中继信道及多中继多跳协作模型。当前，人们对协作中继的研究方向主要集中在以下几个方面：一、中继位置的选择，在协作中继系统中存在多个中继节点，因每个中继信道的性能不同，这就需要在多个中继中选择其中几个中继参与信息传输，中继的选择依据目标的情况来选择15；二、多中继

21、传输策略，无线传输系统中存在多个中继同时传输信息，这使得目的节点可以获得最大的分集增益。Laneman将空时编码的思想引入了多中继系统中，从而获得了全分集增益16;三、资源分配策略的选择，主要是对时隙、频率、功率的分配，因各节点的半双工模式，单向中继的频谱利用率低，双向中继能提高对频谱的利用17。在由一个源点，一个中继，一个目的节点组成的典型无线网络传输模型中，Rankov提出了基于AF和DF协议的双向中继协作策略，从而提升了网络吞吐量，增加了频谱的利用率。现在，协作通信技术的研究问题包括以下三个方向：一、什么时候进行协作通信,这个中继是否参加协作通信需要根据直接传输路径与协作传输路径的质量好

22、坏来决定；二、中继协作通信的对象是谁。在一般的无线通信网络中，节点是大量存在的，当源点进行信息传输需要中继的辅助时，就需要考虑使用哪些中继节点来辅助信息的传送，而这个需要通过各个方面（如周围环境的状况、节点自身的情况等）的考虑来最终确定使用哪些节点来辅助；三、中继如何处理信息。当中继接收到信息后，大致的处理方式有两类：透明中继和再生中继18国际上许多大学都在对协作中继技术进行研究。如美国德州大学的T.E.Hunter博士对编码协作、快衰落以及慢衰落信道的误比特率进行了广泛的研究。加拿大卡尔顿大学系统与计算机工程系的Halim Yanikomeroglu教授对资源优化分配策略进行了研究，并对多天

23、线协作中继系统的性能进行了分析。丹麦奥尔堡大学通信工程系的Frank H.P. Fitzek教授也从另外的方面对协作中继技术进行了研究。1.2.3 论文结构安排论文的主要内容安排如下：第二章将详细地描述基于功率划分的协作多用户传输（PSCMT）协议并且理论性地分析协议的系统中断性能；第三章将提供仿真结果，对结果进行分析；最后一章将给出最终的结论。4第二章 基于功率划分的协作多用户传输（PSCMT）协议第二章 基于功率划分的协作多用户传输（PSCMT）协议本章内容安排如下：首先，介绍了无线传输网络的系统模型；其次介绍了两种接收机结构并根据对两种接收机结构综合分析确定了本文将采用的接收机结构；再者

24、提出了PSCMT协议并对协议进行介绍；最后对PSCMT的中断性能进行了分析。2.1 系统模型 考虑如图2-1所示的一个系统模型，该系统是由一个源节点S、两个目的节点D1、D2以及一个能量受限的中继R组成的多用户协作传输网络。图2-1 系统模型我们假设S有自己的内部能源供应并且要在中继R的帮助下传送信息X1到D1、X2到D2。能量受限的中继R依靠外部来供电。因此，中继要从来自源节点S发出的射频信号中收集能量并且用所收集的能量来帮助源节点S将信息X1，X2分别发送到D1，D2。我们也假设所有的终端只有一根天线并且工作在半双工的模式下。假设hs,r,hs,1,hs,2,hr,1.hr,2分别表示S到

25、R,S到D1,S到D 2,R到D1和R到D2的复信道系数。我们假设所有的信道是平坦块衰落信道，且服从瑞利分布。信道模型如下：hs,r CN(0,s,r ),hs,1 CN(0,s,1), hs,2 CN(0,s,2), hr,1 CN(0,r,1)。另外，ds,r,ds,1,ds,2,dr,1和dr,2分别表示S到R,S到D1,S到D2,R到D1,R到D2的距离。因此, s,r=dm s,r，s,1=d-m s,1，s,2=d-m s,2，r,1=d-m r,1，r,2=d-m r,2其中m表示路径损耗指数。2.2 接收机结构在具有能量收集技术的实际电路中，还不能够从接受到的射频信号中直接处理

26、信息。由于这潜在的限制，提出了一个动态功率划分方案,这使得接收机能够在任何时间t收集能量并且处理信息。通过功率比例（t）：1-（t）动态地将信号划分成两部分，这两个功率划分因子划分的两部分分别是用于能量收集和信息处理，其中0(t)1。考虑一个在时间T（T=NTs）内的信息块传输，N表示每块中传输符号的数量，Ts表示符号周期。假设（t）=k，对于任何的符号间隔时间t(k-1)Ts,k Ts,k=1,.,N。为了方便起见，定义一个功率划分向量=1,NT。另外，本文中，我们假定一个没有任何能量损失或噪声干扰的理想功率分割机并且接受机在一个基于给定向量的发射机中可以完美地实现同步操作。在时间块T的传输

27、期间，假设信息接收机可以工作在两种模式中：关闭Toff时间来节省能量，或者开启Ton时间来译码信息，Ton=T-Toff。在关闭模式中，信息处理操作的时间比例用来表示，01，因此，可以得到Toff=T，Ton=（1-）T。在无正常损失下，假设在每个时间块k=1，N,表示底层操作，信号接收机工作在关闭模式。但在开启模式中时，保留符号k=N+1，N。为方便起见，假设在等式中无论的值是多少，N都是一个正整数，事实上如果N用一个相当大的数字这将会非常接近。下面，研究动态功率划分的三个特殊例子，即时间转换（TS），静态功率划分（SPS）和开关功率划分（OPS）19l 时间转换（TS）：在TS中，当信息接

28、收机工作在关闭模式中的前N个符号时，所有的信号能量用于能量收集。当信息接收机工作在开启模式中的（1-）N个符号中时，所有的信号能量用于信息处理。因此对于TS，有 k=1,k=1,N0,k=N+1,N (1)l 静态功率划分（SPS）：在SPS中，对于所有N个符号，信息接收机工作在开启模式，=0。再者，用于将信号划分为收集能量的功率和传输信息的比例对于所有的N个符号设为一个常数。因此，对于SPS，可以得到k=，k=1,N。l 开闭功率划分（OPS）：在OPS中，所有信号能量的前N个符号阶段都用于能量收集。对于剩下的（1-）N个阶段，划分信号能量用于收集能量和转发信息的比例设为常数，01。因此，对

29、于给定的功率划分对(,)，得到 k=1,k=1,N,k=N+1,N （2）可以看出，TS和SPS是OPS被0（对于TS）或者=0（对于SPS）划分的两个特殊例子下面，将提出两种类型的接收机来探索动态功率划分方案。第一种类型叫做分离式信息与能量接收机，如图2-2所示，第二种类型叫做整合式信息与能量接收机19，如图2-3所示。这两种类型的接收机都用了相同结构的能量接收机用于收集能量。不同之处在于分离式接收机中，对于动态功率划分的功率分割器是嵌入在图2-2中能量接收机的射频信号带中的A点，但在整合式接收机中，功率分割器是嵌入在基带中的点。只考虑分离式信息与能量接收机的例子，像在图2-2中所展示的，功

30、率分割机嵌入在A点，为了接收信号y(t)能够被在射频信号带中的功率等级指定因子(t)分为两个部分的信号。这样，传统的能量接收机和信号接收机能够同时收集能量、传输信息。图2-2 分离式信息与能量接收机结构 图2-3整合式信息与能量接收机结构通过比较上述两种接收机的优缺点，本文选择了以分离式信息与能量接收机为基础优化后的接收机。图2是接收机的结构，接收到的信号yr在中继天线上被功率分割机以:1-划分为了两个部分，部分用于能量收集，部分则输入到了信息接收机中20。nr,anr,c是中途加入的噪声，nr,a是接收天线引入的窄带高斯噪声，而nr,c是射频信号到基带信号转换过程中引入的抽样附加噪声。图2-

31、4接收机原理图2.3 PSCMT协议描述表2-1解释了在PSCMT协议中信息传输过程和在PSCMT协议中的关键参数。如表3-1所示，传输是通过三个阶段来完成的，假设总的传输时间为T，每个阶段持续的时间为T/3。在第i(i=1,2)个阶段中，S用功率Pi传送信息Xi，D1、D2和R都能够接收到信号。 部分的能量用于S到R的信息传输，其中0i1,表示功率划分因素，另一部分则用于R的能量收集。在第三阶段中，中继首先合并在前两个阶段接收到的信号，然后利用从S中收集到的能量用于在T/3时间内传输联合信号Xr 。 表2-1 PSCMT 协议中的关键参数第1阶段第2阶段第3阶段T/3T/3T/3R从S中收集

32、能量()R从S中收集能量()R发送信息Pr()S发送信息X1()S发送信息X2()2.4 PSCMT协议的中断概率分析由表可知，在第i（i=1,2）阶段中，S用功率Pi传输信息Xi。Di接收信号ys,i ,Dj接收信号rs,j(j=1,2,i不等于j),其值分别如下： （3） （4） ns,i和vs,j是在Di 、Dj中的附加高斯白噪声，ns,i CN(0,1) 且vs,j CN(0,1)。可以看出ys,i是Di要得到的信号，但rs,j 是可以帮助Dj 在第三阶段中通过R传输的混合信号中译码出Xi21。第i个阶段结束时，在中继接收机处理后，R的抽样基带信号如下给出 （5）其中nr,i是中继R中

33、的加性高斯白噪声，nr,i CN(0,1)。在第i(i=1,2)个阶段结束后，R从S中收集到的能量表示如下 （6）其中，01表示能量转换效率，0ai1(i=1,2)表示功率划分因素 。在前两个阶段之后，中继从S收集的总能量为E1+E2。R在第三阶段的发射功率为 (7)在第三个阶段, 先合并两个信号y r,1 和y r,2 作为XR并且用功率Pr传输联合信号XR，合并规则如下：在一个具有两个不同目的点S1、S2和L个中继R(=1,.,L)的系统中，每个中继有一根天线并且工作在半双工模式中，中继采用放大转发协议，其他的变量和系统模型中的类似。在模拟网络编码协议的第一个时间隙中，S1和S2在多个信道

34、中同时传输它们的信息x1和x2。中继R收到的信号r为： (8)是S1和S2的发射功率，ni是Ri中的加性高斯白噪声，nCN（0,1）。在第二个时间隙，R通过放大系数放大信号ri然后在传输信道上发送到S1和S2，Si接收到的信号yi, ，yi,的表达式如下： (9)是中继R的传输功率，vi,是Si的加性高斯白噪声，vi,CN（0,1）（i=1,2）。为了保证R的发射功率是，放大系数应当如下表示： (10)对所有的在上式分析中将非常困难，常用的做法是采用近似值，因此表示如下 (11)由以上分析可得，XR的表达式如下： (12)其中i (i=1,2)表示R合并yr,1 和yr,2的系数。其值选择如下

35、： (13) 0i1(i=1,2 ), 且1+2=1 上式中选取近似值的方法在此类文章经常采用22。可以看出Xr总是有统一无关的i。在合并前两个阶段接收到的信号后，R用功率Pr发送Xr , Di接收到的信号为： (14)nd,i是Di中的加性高斯白噪声，nd,iCN（0,1）。在去除干扰信号yd,2后，D1可以得到无干扰信号如下： (15)将（7）的Pr带入到（15）中，并用（13）的近似值，yd,1的瞬时SNR1如下： (16)D1采用最大比例联合(MRC)23。最大比例联合（MRC）是一种多样性联合的方法，相同发射信号的不同副本加在一起来增强目的点接受信号的信噪比。从S到D1直接链路的瞬时

36、SNR表示为 从S到D1到互信息量I1可以表示为 (17)上式中取值常数2/3是由于在三个阶段中传输了两个新信号24。因此，中断概率可以这样计算 (18) 定理：给定一个目标传输比例Rt，多用户协作传输系统PSCMT协议的中断概率可以用(18)来计算，其中， ，c=1。因此，中断概率的最终表达式为： （19）可以通过获取的最优值，从而获得最低的系统中断概率。但是由于在中的具体表达式涉及到贝塞尔函数和积分，因此，很难获得最佳的闭形表达，但是，对于给定的系统配置参数，像源点发射功率和中继位置，其最佳值可以通过数值分析最佳的的值来获得。2.5 本章小结本章研究了在无线协作多用户传输系统中所提出的PS

37、CMT协议，分析了该协议对于无线传输系统性能的影响。首先，在基于传统三节点的传输模型中，增加了一个目的节点来代表多用户模型。其次，提出PSCMT协议使得中继能够实现能量与信息的同传。再者，分析了协议给系统带来的性能影响，并通过理论分析得到了系统中断概率的具体表达式。 第四章 总结与展望 第三章数值仿真及分析在这部分中，通过用MATLAB进行仿真来证实我们为多用户传输系统提出的PSCMT协议对系统中断概率理论分析的正确性。再者，也讨论了源点发射功率和中继位置对系统互信息量和中断性能的影响。假设Rt=1bit/sec/Hz,=1,P1=P2=Ps,m=4（这一数值在城区的情况中普遍适用22）和归一

38、化为1。类似地令1=2=。D1和D2之间的距离归一化为1，R放置在由S,D1，D2组成三角形的高上，如图3-1所示： 图3-1 中继位置示意图3.1 功率划分因子对系统中断概率的影响在这一小节中，为了验证我们对定理中中断概率进行分析所得出的表达式是正确的， 将用蒙特卡洛算法对系统中断概率进行10000次蒙特卡洛仿真。其中Ps分别取了10dB和20dB。仿真结果图如图3-2所示。由图3-2可以看出，在0.5左右时有最低的中断概率。 3-2 中断概率仿真。其他的参数:ds,r=0.53.2 源节点功率对系统中断概率的影响图3-3画出了PSCMT协议中，从源节点S到目的节点D1进行传输过程中互信息量

39、与的关系。可以看出随着的增大，互信息量也增加。 图3-3 与不同的10log10Ps对应的互信息量I图3-4画出了不同下的最佳中断概率，我们将其和传统的非协作方法做了比较。从图3-4中可以看出，在获取更低的中断概率时，PSCMT协议比传统非协作方法性能更佳。再者，在更高的区域中，随着增加， PSCMT协议比传统的非协作方式下降地更快。这是因为随着源点发射功率的增加，用于收集的能量以及发射信号的能量更多了，相应的信噪比增大了，因此，中断概率更小。 图3-4 对于不同对应的最佳系统中断概率3.3 中继位置对系统中断概率的影响图3-5展示了互信息量I与源节点到目的节点的归一化距离ds,r的关系图3-

40、5 互信息量I与ds,r关系图3-6展示了最佳的中断概率与ds,r的关系，从图3-6可以看出，最佳中断概率随着ds,r的增加而增加。这是因为随着距离ds,r的增加，再信号到达中继前衰落的更多，中继用于能量收集和传输信号的能量更少了，因此，信号到达目的点的中断概率将增大。这也表明了要想得到更低的中断概率时，最好选择更靠近源点的中继。 图3-6 对不同的ds,r最佳的系统中断概率3.4 本章小结本章通过仿真研究PSCMT协议中功率划分因子、源点发射功率和中继位置对无线通信信道中互信息量及中断性能的影响。仿真结果显示：在功率分配因子增大，中断概率减小；随着源点发射功率的增大，该协议的系统中断概率下降

41、；随着相对距离ds，r的增加，协议的系统中断概率增大。这是因为，因此，在实际的无线传输网络中，为了获得更佳的传输性能，应该尽可能大地源点发射功率，中继选择离源点较近的位置来进行协作传输。 第四章 总结与展望本部分对本文的结果做了最终的总结，概述了论文要点，并结合当前的情况对未来这方面的研究进行了展望。4.1 总结在本文中，我们研究了带有能量收集协作中继的多用户传输网络。通过采用功率划分接收机结构，我们先为多用户传输系统提出了一个协作协议： PSCMT协议，然后得出了这个协议的系统中断概率具体表达式。其次，我们也讨论了不同的系统参数，如功率划分因子、源点发射功率和中继位置对系统中断性能的影响。仿

42、真结果表明，相对于传统的非协作方法，我们提出的协议可以在不增加外部能量消耗的同时获得更低的系统中断概率。4.2 展望论文研究了在一个具有一个源节点，一个能量受限的中继和两个目的节点组成的无线网络系统中，结合能量收集技术和协作中继技术，提出了一种传输协议：PSCMT协议，并分析了该协议带来的影响，但仍有较多的工作有待于进一步深入与完善。未来的研究可以从下面几个方向进行：（1）考虑实际系统能量消耗下PSCMT协议的性能分析。本文是假设在理想状态下，系统不存在其他的耗能，但在实际情况中，转换效率不可能100%。其次，硬件电路自身存在各方面的损耗。（2）用户位置随机性下PSCMT协议的性能分析。文中是

43、假设接收点在整个信息接收过程的位置是不变的，而在实际情况下，因为用户位置的移动使得用户位置的不确定性将会增加系统的复杂性。因此，未来的研究应考虑用户移动情况下PSCMT协议的性能分析。（3）在用户数众多、大规模网络下PSCMT协议的性能分析。本文是单中继，两个用户的情况，但在实际无线网络中，用户数量是庞大的。此外，用户和中继的位置也是较远的，路径损耗的影响较大。因此需要多点协作来减小影响，这将为系统设计带来巨大的挑战。参考文献1 X. Wang, A.V. Vasilakos,M. Chen, Y. Liu, and T.T. Kwon. A Survey of Green MobileNet

44、works: Opportunities and Challenges, Mobile Networks and Applications, 2012,17(1),4-202 郜学敏.无线通信系统中能量收集及管理技术研究D.北京邮电大学, 2015.3 Pentikousis K. In search of energy-efficient mobile networking. IEEE Commun. Mag., 2010,48(1):95-103.4 Medepally B, N. B. Mehta. Voluntary Energy Harvesting Relays and Selec

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