中继协作传输的SWIPT—

基于中继协作传输的无线携能通信系统

1.1问题

1.2可用技术

2.1无线携能通信

2.2解决方法

2.3无线能量传输

2.4无线能量采集

3.传输协议

4.节点的选择策略

５.SWIPT的研究现状

1.1问题

衰落、干扰导致信号传输速率、质量下降

1.2可用技术

解决的技术	优点	缺点
传统分集技术（空间、时间、频率）/类分集技术（跳频、扩频、网络编码）	合并独立的衰落路径上的相同的信号，减轻衰落，提高接受信噪比	需要传输同一信号的多个副本信号，系统有效性低，频率利用率低
MIMO(利用无线通信多径传播&先进的信号处理技术抑制多径衰落)	提高系统的传输速率、可靠性；相同无线频谱资源、发射功率下，有更高的频谱利用率、更大的系统容量	对于体积小、质量轻小的设备难以配备多条天线，受到安装条件限制
协作通信	1无需配备多天线而用多个单天线节点协作模拟多天线阵列实现多天线分集，达到空间复用和分集增益效果； 2较高的性能增益，较高的系统信噪比、系统容量； 3均衡通信服务质量（保证网络边缘受阴影衰落的用户通信质量），解决了复杂环境产生的覆盖空洞； 4.对基础设施要求低 5.降低系统成本，只需借助空闲的移动设备

协作通信主要研究方向：传输协议、节点选择策略、单天线以及MIMO系统中的功率优化、频谱分配

2.1无线携能通信

问题：能耗高，电池供电有限且需要定期更换，更换成本也高， $CO_2$ 排放多。

2.2解决方法

1.提高通信网络的能效

2.能量收集技术：从射频Radio Frequency，RF信号中采集——无线携能通信SWIPT，Simultaneous Wireless Information and Power Transfer

（RF信号以波的形式存在，携带信息和能量）

SWIPT优点：

1.延长无线通信设备的寿命，摆脱电池容量限制；

2.无接触充电，不受恶劣环境的限制，更加绿色，成本更小；

3.可与其他技术结合：MIMO、中继协作、RCN、物理层网络安全；

4.提升用户体验：智能家居的无线充电与远程控制等。

缺点：

实体硬件无法同时进行信息解调与能量采集。

2.3无线能量传输

按照传输机理分为三种：

1.基于电磁感应的传能模型如下图所示。

具体过程：当发射端通交变电流时，空间场会有一个交变磁场，若接收端的线圈在磁场内，就会长生感应电动势，从而磁能转变需要的电能。缺点：不适合远距离的能量传输，若接收端在磁场外，就接受不到信号，而且还容易受到收发端位移和频率变化的影响。

2.基于电磁耦合共振的传能的模型如下图所示。

具体过程：发射端的线圈与振荡器相连，当发射端发送信号时，振荡器产生较高的震荡电流，震荡电流经过发射线圈时，整个空间产生非辐射的磁场，当接收端的固有频率与震荡频率相同时，就会产生共振，接收端的电流最大，完成电能-磁能-电能的转换。优点：磁场与生物体间的相互作用小，对其他频率的设备干扰小。适合几厘米-几米的传输距离。

3.基于微波/光波的远场辐射传能。

具体过程：发射端通直流电，利用无线电波（微波功率源/光波，若使用微波功率源）将直流电转换为微波电能转为微波能量，通过天线聚焦后发射。接收端通过整流天线接收到微波能量后，转换为直流电能之后为设备供电。适合较远距离的能量传输。缺点：尚未大规模使用，电路和半导体的设备水平低，电磁波整流天线技术和控制发射天线极化方向技术困难。

2.4无线能量采集

从获得的波形中分别获取能量和解码信息，接收端采集无线能量的方式有以下两种：

1.集成式的能量采集Integrated receiver，又理想型能量采集。这种方法克服了微波/光波的远场辐射传能的缺点，电路和半导体的工艺水平处于理想的水平下，电路设备可以从RF信号中分理出能量信号和通信信息信号，但实际情况达不到。

2.分离式的能量采集Separated receiver，当能量和信息并行传输时，使用两个接收机分别接收能量信号和信息信号，此技术运用广泛。

具体讨论三种分离式的信号接受结构，SWIPT接收机结构：功率分割Power Splitting，PS,时间切换Time Switching，TS，天线切换Antenna Switching，AS。

（1）PS型

在单天线接收机之后，放一个功率分割器，将RF信号分割占比为 $\rho$ 的信号功率用于信息解码Identify Decode,ID和信号功率占比为1- $\rho$ 用于能量采集Energy Harvesting,EH。实现条件处于理想状态，硬件达到合格的工艺水平，如下图所示。

（2）TS型

将功率分割器换为单双刀掷开关，设一次通信时长为T， $\rho$ 为TS因子，在 $\rho$ T时间内处理信息解码过程，在(1- $\rho$ )T时间内处理EH过程，需要严格的时间同步。如下图所示。

与PS模型相比，TS模型不能更好的在系统传输速率与RF能量之间获得较好的权衡。

（3）AS型

设置k根天线，任选L根天线用于信息解码操作，剩下k-L根天线用于能量采集操作。所有的天线要么处于信息解码模式，否则就处于能量采集模式，可以看作特殊的按照二进制分比功率的分割模型。

3.传输协议

放大转发Amplify and Forward,AF和解码转发Decode and Forward,DF在我的《基于能量采集的认知无线电时间和功率分配（一）》博客的最后一部分详细介绍到了，这里就不再赘述。

针对各自的缺点，有进一步的研究，比如：

压缩转发Compress and Forward，CF，对转发信号进行压缩处理，最后转发相关性最高的信息。

还有结合DF和AF的优点，提出混合型DAF模型的，当源-中继的信道环境好则选择DF，否则选择AF方式。

还有基于编码的计算转发Compute and Forward，借助结构化的点阵编码形式，通过计算源码字的整数组合来抑制干扰，实现更高的系统速率。

计算-压缩-转发Compute Compress and Forward，CCF，在接收机引入压缩来增强网络性能。

4.节点的选择策略

节点的选择策略主要考虑：

节点间的瞬时信道状态信息和协作节点的信道通信之上，考虑节点间的公平性和协作网络的寿命。

对于第一点，在协助过程中使用固定准则（系统速率最大化、在CRN中最大接受信噪比）选取最佳中继来最大化传输信道的容量，而改善系统的中断性能。对于第二点，下文着重介绍。

５.SWIPT的研究现状

问题：频谱资源匮乏、能源过度消耗，长距离的无线通信，会有路径损耗和系统功能困难。

使用多中继协作的SWIPT技术，提高通信的可靠性。主要研究方向：系统资源的动态分割和中继选择。

详细见论文　陈娇.无线携能通信系统中基于中继协作的传输方案研究[D].南京邮电大学,2019.