双跳通信系统的能量分配比较研究

⃝CN·{·}·可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 7（2021）380www.elsevier.com/locate/icte双跳通信系统中能量分配的比较研究雄朝韩国大邱天主教大学汽车信息通信技术融合工程系接收日期：2020年6月4日;接收日期：2020年11月29日;接受日期：2020年12月26日2021年1月5日在线发布摘要本文研究了采用AF协议的双跳通信系统的最优能量分配问题，相干和差分传输方案。首先，我们证明了双跳通信系统的误符号率（SER）方面的性能。然后，我们进行最佳的能量分配，使错误率最小化。在此基础上，分析了能量优化分配对系统性能的影响，并与基于DF的系统进行了比较。我们还比较了基于AF的系统的性能取决于传输方案。c2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：中继网络;双跳;优化;能量分配1. 介绍在通信系统中，中继节点通过在源节点和目的节点之间进行信号的中继，增加了通信范围，提高了系统的性能。中继网络的性能分析和资源优化已经通过使用多个中继节点并考虑各种中继协议进行了研究[1最近，在中继网络中考虑能量收集系统的有效能量分配[5，6]。通过考虑对称和非对称信道场景，分析了使用解码转发（DF）协议的双跳通信系统的最佳能量分配，其中中继节点对来自源节点的接收信号进行解码/重新编码并将其转发到目的节点[7]。为了提高能量效率，能量分配问题被应用于电力线通信系统以及无线系统[8]。在本文中，我们认为在双跳通信系统中使用放大转发（AF）协议，中继节点简单地放大从源节点接收到的信号，并将其转发到目的地节点的能量分配的效果。无线环境中有很多设备。在这种情况下，我们可以根据设备的通信选择调制方案电子邮件地址：wcho@cu.ac.kr。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2020.12.007无线信道的标准或状态。因此，我们考虑sider在本文中的相 干 和差 分 调 制 方 案， 其 中 前 者使 用 信 道 状态 信 息（CSI）和后者不使用CSI在目的节点接收信号。在选择调制方案的性能和硬件复杂性之间存在折衷，即，相干调制比差分调制具有更好的性能，但是相干调制比差分调制具有更复杂的系统。我们证明了相干和差分传输方案的双跳通信系统的误符号率（SER）。在此基础上，提出了使误码率最小的最优能量分配方案，并分析了优化对误码率的影响。基于优化值，我们将优化结果与基于DF的系统进行了比较。记法：我们用（）表示共轭，对于真实的部分，对于Frobenius范数，和（μ，σ2）对于具有均值μ和方差σ2的复高斯分布。2. 系统模型和误符号率我们将考虑具有一个源节点、一个中继节点和一个目的地节点的双跳通信系统，其中每个节点分别表示为s、r和d。通过这种设置，根据调制方案考虑两种AF协议。我们将相干传输和差分传输的情况分别设为CAF和EAF2405-9595/2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。W. ChoICT Express 7（2021）380381n=∈ {−}R联系我们σ=i、j+==CN∈ {}CNN=s，r，γ′ +γ+1s，rr， d=--，dnEsnn，nnxs= xs因此，nnnnnni、j我 i、j我 i、ji、jn我0i、jnn−1r，dγs，r+γ<$r，d+1s，我r，0 =Ei、j=−或在源节点处，发送第n个调制符号Ts，则中继节点处的对应接收信号可以表示为：注意，本文中的优化与[3]中的能量优化不同。该参考文献试图找到最佳能量分配，ys， r=hs， rTs+zr其中Ts={snCAFnn−1（一）以最小的能量达到目标性能配置中然而，我们试图优化能源配置，其中，s ne j2 πcn/M，c n0，. . . ，M1 代表第n相移键控（PSK）调制符号，并且xn是具有初始值xs 1的相应差分信号。然后，中继节点放大接收到的信号Ys，并且总发射能量。通过定义节间距离Di，j，i，js，r，d，设Di，j与信道衰落统计量的关系为2=G·D-ν，其中ν表示路径损耗以Tr的形式将其转发到目的地节点。的，j i， jG是一个常数，n在目的地节点处的接收信号可以表示为：y r，d=∑Erh r，dT r+ z d.（二）节间通道指数的影响，所以我们设置G1不失一般性。我们还定义源端的发送SNR中继节点分别为ρs：=Es/N0和ρr：=Er/N0在方程式中，（1）和（2）中，i是节点处每个符号的能量i和h i，j 而Z J 是衰落系数和噪声，这些定义使得可以表示平均SNR当γ<$ =ρ σ2时 =ρD−ν。我们假设线性拓扑，（0，σ2），i， js， r， d和（0，0）。因此，发射机i和接收机j之间的接收到的瞬时信噪比（SNR）为γ=（|H|2E )/N , and the average received SNR is γ¯=（σ2Ei）/N0.也就是说，本文采用Ds，r Dr，dDs， d，其中Ds，d1问题陈述：在一个双跳通信系统中，对于给定的中继位置、路径损耗指数ν和总发射能量，我们确定最优能量分配ρo（ρo），i、jr s， rs r由方程式（2），TnAyn，A是放大因子。对于简单的操作，我们认为A是两者的固定增益。CAF和CAF病例。 我们定了一个 =σ1/（σ2Er+N0）到最小化P′ser服从ρs+ρr=ρ，（6）保持继电器的固定平均功率然后，equiv-其中，Pser可以是C AFserDAFser取决于目的节点的有效SNR可以表示为γeqdγs，rγr，d. 注意，放大因子A提供中继节点处的能量效率和低硬件复杂度，因为仅信道的统计特性被调制方案，并且ρ限制总发射能量。为了解决这个问题，我们可以通过将SER作为γ′s， r和γ′r， d的函数来处理，得到最优解的一阶条件如下：实施[3，9]。在目的节点，第n个符号P<$ser−λDν=0，（7）对于相干传输方案，估计为：马里斯河s， r今天，Mr，dsn=ej2πm/M：m′=arg minnnnnej2πm/M（3）gr， d瑟河∂γ¯-λDν=0，（8）卢塞恩河其中，gr，d=hs， r Eshr， d埃尔河 我们可以估计出第n个ρ−（γ<$s，rνs，r+γ<$r，dνr，d）=0，（9）用于差分传输方案的传输符号如下所示：sn=ej2πm′/M：m′=arg maxwr， d<${（yr， d）yr， dej2πm/M}（4）其中λ是拉格朗日乘数。在高信噪比下，通过求解上述方程，我们可以得到以下结果：相干和差分情况下的最佳解决方案γs，r+1其中，w=。对于差分调制情况，[Dν/2Dr−ν/2]在没有CSI的情况下执行解调。为了分析的易处理性，我们考虑在Or，AFnPPDDρ=ρln（ρ这使得给定中继位置的SER最小化，M或AF√s，r，d+1 、（十）W. ChoICT Express 7（2021）380382{[D4Dr−v）−1SER和优化。通过上述传输方案，和决策规则，基于AF的双跳的平均SER在高SNR下的通信系统可以被导出为[2，3]：得到ρoAFρρoAF，数值搜索使找到最佳解决方案文献[7]给出了基于DF的系统能量分配的最优解[1 1]1的CAFρo=ρν/2s，r]、（11）PservC+ln（γ<$r，d）当C=1（五）s，DFDν/2+H·Dν/2γs，rr，d2英里。s， rr， d我们表示相干方案的平均SER，差分格式分别为P<$C AF和P<$N。其中H是常数，并且由调制方案定义在s-r和r-d链路中。从Eqs。（10）和（11），我们可以得到-ser ser3. 最优能量分配服务器的最优解取决于中继协议;（i）最佳值是W. ChoICT Express 7（2021）380383与基于DF的系统的总发射能量无关，W. ChoICT Express 7（2021）380384在本节中，基于AF研究了双跳通信系统。 类似于W. ChoICT Express 7（2021）380385基于DF的系统在[7]中，我们考虑能量优化而基于AF的系统具有不同的值，W. ChoICT Express 7（2021）380386由于最佳值不能被可与继电器位置分离;（ii）线性解决方案可以是W. ChoICT Express 7（2021）380387===-Fig. 1. 最佳能量分配取决于中继协议和传输方案。通过选择合适的路径损耗指数和常数H值，实现了基于DF的系统的线性值，而基于AF的系统由于对数项而不能获得线性值。图图1描绘了在源节点处的最优能量值的结果，其取决于给定中继位置的中继协议和传输方案。在基于DF的系统中，第一个大写字母和第二个大写字母用于s-r链路和r-d中的传输方案链接，尊重ively，其中图二. 相干传输方案（CAF）的平均SER与等能量分配和最佳能量分配的比较。“如果我是自由的”，尊重我。在Eq中的“H”。（11）有2个，CD和DC情况分别为1/2，CC和DC情况均为1DD病例[7]。我们考虑路径损耗指数ν4。该图表明，随着中继节点向目的节点移动，最优值增加。这是合理的，因为当中继远离源节点时，在源节点处需要更多的能量。如上所述，基于DF的系统具有相同的最佳值，而不管总发射能量如何。然而，基于AF的系统与基于DF的系统相比具有稍微不同的趋势。随着总发射能量增加，较不优化的值 在源节点上分配。这种现象与基于DF的系统不同。优化值对于基于AF的系统中的相干和差分情况都是相同的，如我们从等式2导出的。（十）、图1还揭示了基于DF的系统通常比基于AF的系统需要更多的能量分配。4. 模拟在本节中，我们分析了能源分配的影响。图图2和图3比较了具有相等能量分配的系统的平均SER，即，ρsρrρ/2，最优分别对CAF系统和CAF系统进行能量分配。我们考虑具有ν4的各种总发射能量。两个图都表明，随着总发射能量ρ的增加，整体性能得到增强。正如我们所预料的那样，这些数字表明，具有最佳值的系统总是比具有相等能量分配的系统具有更好的性能。两幅图还表明，总体SER曲线相对于继电器的中间位置是不对称的，即，Ds， r=Ds， d/2图三. 差分传输方案中等能量分配和最优能量分配的平均SER比较。尽管该系统几乎是对称的。对于CAF系统和CDMA系统，最小SER值分别可以达到约0.7的位置和接近中点的位置，而只需向目的节点进行少量移位。这些图表明，存在一个重合点，在该重合点处，优化系统和未优化系统的SER值相同。值得注意的是，重合点并不是CAF系统的最小SER值。然而，中继系统具有几乎相同的值，这意味着我们可以通过将中继节点放置在适当的位置来获得最小的SER。对于基于DF的系统，我们可以获得最小的SER与相等的能量分配，只有系统的对称情况下，即，CC和DD案例[7]。因此，我们可以得出结论，基于DF的系统与非对称的情况下，和基于AF的系统与相干调制不提供最小的SER没有优化。通过对CAF系统和MIMO系统的比较，我们可以总结出：（i）无论是CAF系统还是MIMO系统，能量优化后的系统性能都要优于未优化的系统;（ii）对于MIMO系统，只要仔细选择中继位置，无需优化，就可以获得最佳的SER，而对于CAFW. ChoICT Express 7（2021）380388−系统;（iii）SER值是近对称的关于中间位置的s d链路的CDMA系统，而CAF系统提供了最佳的性能时，由于其不对称的SER特性的中继节点位于目的地附近。通过对基于DF的系统和基于AF的系统的比较，我们发现：（i）最优能量分配的一般值是相似的，但在源节点处，基于AF的系统的最优能量分配值比基于DF的系统的最优能量分配值要小;（ii）对于基于AF的系统，传输方案并不影响最优能量分配值，而是受传输总能量的影响，而对于基于DF的系统，则相反;（iii）基于AF的差分调制系统和基于DF的对称系统可以在相同能量分配的情况下支持最小SER，但其他情况需要应用最优分配以实现最小SER。基于这些结果，可以为网络设计实施能量分配，以支持可靠的通信链路并在给定SER性能下保持低能耗。5. 结论在本文中，我们分析了最优能量分配，分析了AF协议在双跳系统中的应用及其对系统性能的影响。根据双跳系统的平均误码率，可以找到使误码率最小的最佳能量值，并比较了DF系统和AF系统的最佳能量值及其对系统性能的影响。结果表明，根据中继协议和调制方案，最佳能量分配存在差异，即，基于AF的系统与基于DF的系统以及CAF系统与系统。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作引用[1] A. Ribeiro，X. Cai，G.B.杨文，一般合作链路的符号错误概率，IEEE Trans.Wirel。Commun. 4（3）（2005）1264-1273。[2] W.乔湖，澳-地杨，差分调制中继网络的最优资源分配，IEEE Trans.Commun. 56（4）（2008）531[3] R. 曹湖，加-地 资源优化配置的影响因素合作通信：一个案例研究，IEEE无线。Commun. 11（12）（2012）4351-4361。[4] Y. Su，X. Lu，Y.赵湖，加-地Huang，X.杜，基于深度强化学习的无线传感器网络中继选择协作通信，IEEE Sensor J。19（20）（2019）9561[5] F. Wang，S. 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