具有RF能量收集的中继网络的非正交多址接入和波束成形

⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 6（2020）11www.elsevier.com/locate/icte具有RF能量收集的中继网络的非正交多址接入和波束成形Pham Thanh Hiepa，Chang，Tran Manh HoangbaLe Quy Don技术大学，越南河内b越南芽庄电信大学接收日期2019年5月4日;接受日期2019年在线发售2019年摘要下行链路多用户非正交多址接入（NOMA）中继系统，这是无线供电，从无线电频率收集能量，被考虑在内。为了提高NOMA多用户系统的性能，基站（BS）配备有多个天线来进行波束成形以传输信息信号和能量。推导了该系统在瑞利衰落信道下的中断概率表达式，并通过计算机仿真验证了解析分析的c2020年韩国通信与信息科学研究所（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：非正交多址;能量收集;射频;连续干扰消除;波束成形1. 介绍文献[1，2]研究了结合射频（RF）能量收集（EH）的非正交多址（NOMA）系统在这些研究工作中，同时无线信息和功率传输（SWIPT）的NOMA网络与随机定位的用户进行了研究。作者在[3]中分析了该系统，其中靠近源的近NOMA用户与此同时，来自RF的EH已成为能量受限电子设备的合适解决方案，这些设备通常由电池等有限电源支持。另一方面，中继通信和射频EH课题在学术界和研究机构都得到了广泛的研究。因此，有许多作品已经出版。在文献[4]中，作者推导出了双跳解码转发（DF）中继网络的中断概率的封闭形式表达式，其中使用基于时间交换（TS）的中继机制。研究了基于双跳多天线的无线电能传输系统的失效概率.在[5]中，∗ 通讯作者。电子邮件地址： phamthanhhiep@gmail.comP.T. Hiep）。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.2019.05.004针对固定增益和可变增益中继方案，作者提出了一种具有干扰的双跳多天线放大转发中继系统。MIMO全双工系统的最优吞吐量在[6]中提出。在这项工作中，天线被配置在中继，导致的事实，即在中继的能量消耗增加的天线的数量。据作者所知，目前国内对TS与NOMA相结合的中继网络系统的研究还比较缺乏，因此，本文提出了TS与NOMA相结合的中继网络系统。此外，为了消除簇间干扰，提出了一种波束形成方法，结合TS和NOMA方法用于下行多用户系统。本文的贡献归纳如下。为了延长系统的生存时间，提高系统的频谱利用率，本文重点研究了基站多天线下行NOMA系统。多个用户根据他们的位置聚集成一个组。为了减轻来自其它簇的交叉干扰，将迫零波束形成方法应用于BS。系统性能进行了理论分析，并在任意组中的每个用户的中断概率的封闭形式的表达式推导出，以评估所提出的系统模型。我们比较了2405-9595/2020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/）。··12P.T. Hiep和T.M.黄/ICT Express 6（2020）11=m{·}M=∑√{||} =···=−NN× ==∑√∑√n11向量xS通过单个小区广播到所有其他用户的干扰M×信道增益，并且E表示平均算子。Wm可以表示为Hm在零空间中的投影，与第m个簇相关的干扰信道按顺序以在消除簇间干扰的同时最大化信道增益。在数学上，Wm被给出为（2）第一次见面。∥Πmhm ∥其中m=IN−Hm（HHHm）−1HH，Hm是一个扩展的M m不包括Hm的信道矩阵。Fig. 1. 系统模型。结果与计算结果进行比较，确定了表达式的闭合形式。本文的其余部分组织如下。第二部分给出了多用户NOMA系统模型和信道模型。性能分析见第3节。数值结果见第4节。最后，第五部分对工作进行了总结。2. 系统模型2.1. 第一跳波束成形和NOMA的组合我们考虑下行链路多用户（MU）中继通信，Hm=[h1，h2，. . . ，hm−1，hm+1，. . . ，hM] T，（3）在Hm的零空间具有大于零的一维的情况下，信号可以被发送到第m个我这样hHwj=0，m = j.（四）此外，我们假设，在ev-每个簇都与N相同，因此每个天线基站发送叠加码，该叠加码包括第m个簇中所有用户的N个信号，可以描述为通过xS，m[x m，1，. . . ..ExS，m2PS和[ ]T表示转置矩阵。基于ZFBF的原理，在输出天线处利用波束矢量wm构造叠加信号。因此，预期到第m个集群的信号由下式给出：NxS，m=wmam， nP Sxm，n（5）n=1其中，am， n表示用于第（m，n）个用户和∑N a m，n=1。从RF执行EH以转发接收到的信号从BS到用户。基站和每个中继分别由Nt和Nr个天线配置，条件是Nt≥继电器. 在第m个中继器处接收的信号可以被给出为：yR=hmwm∑am， nPSxS，mn=1（M 1）。它被认为是BS的大型天线，而由于尺寸限制，用户具有单个天线让xS，m表示第m个簇中所有用户的发送信号。在传输之前，符号xS，m必须乘以+∑mthbeamhmw j∑a j，nPSxS，j+nm.（六）归一化波束成形向量wm，wm21。由于这两个原因，在BS处的完美CSI是困难的j=1=mn1其他束流也就是说，信道估计误差和反馈延迟。所以估计的信道矩阵H_ m 并且实际的信道矩阵Hm可以被给出为hm=hm+e，（1）其中e是具有独立且同分布（i.i.d.） 零均值和单位不失一般性，我们假设波束是完美的，因此消除了簇间干扰，然后在第m个中继器处的接收信号被给出为Nym， R=hmwmam， nPSxS， m+nm， nn=1方差复高斯分布项。N在实现的复杂性之间保持平衡=hmwmam， nPSxm，n+hmwm∑am， iPSxm， i和系统性能，我们使用零力波束形成（m，n）第n个用户的指定信号i=n+1以减轻来自其它集群的干扰BS与第m个集群之间的信道矩阵为n−1+hmwm1am， k PSxm， k+nm，（7）M通信网络，其中BS通过M个中继器（R）的 辅 助 与 用 户通 信 ， 如图1所示。1 .一、继电器（ZFBF）在BS。我们为第m个簇设计了一个权重wmP.T. Hiep和T.M.黄/ICT Express 6（2020）1113记为hm∈CNr×Nt 信道系数表示为通过h m<$CN（0，<$m），其中E{|H M|2}=m是方差k=1不完全SIC14P.T. Hiep和T.M.黄/ICT Express 6（2020）11M=−=∈CN−−≤≤→→=-→→（=−=−R∆Dnn（222R）3. 性能分析3.1. 信号与干扰加噪声比图二、基 于 时间交换的中继（TSR）协议。其中nm[n1，. . . ，n Nr]C1×Nr 其中n m（0，σ 2）是独立同分布。加性高斯白噪声（AWGN）在第m个re，在中继站处，SIC被应用于去除来自具有更强功率的其他用户的干扰，即，（i 1，. . .，第n个用户被移除。中继站处的第（m， n）个用户的信号干扰噪声比（SINR）由γm， n表示，并且根据（7），SINR被给出为躺下在完美SIC的情况下，术语h w等于零。∑n−1 aP xPSam，n |HM WM |2i=n+1 MσmM我 SMmk=1m，kSm，kγm， n=∑NP a|H W|2个以上.（十一）22.2. 用户现场类似地，根据（10），在以下情况下的第（m， n）个用户的SINR为完美的SIC可以被给出为PRb n|G n|2作者在[7]中已经表明，TS方案不是γDn =∑NB P|G|2+σ 2.（十二）更容易实现，但性能优于用于启用EH的多用户MIMO的网络. 因此，在这项工作中，我们适用于EH的TS计划图2中示出了用于中继系统的TS架构的细节。在该图中，T是被分成三个时隙的块时间。 第一个时隙αT（0α1）用于继电器的能量收集。剩余的块时间（1α）T被分成两个相等的时隙，前半部分（1α）T/2用于S到R信息传输，而后半部分用于R到D信息传输。我们假设在每个周期的αT期间仅从接收信号中收集能量，并且收集的总能量立即用于传输接收信号。因此，所收集的能量由[8，Eq.（2）]。E h=αTη PS|HMWM|第二条，（对于DF协议，系统的端到端SINR为两跳BSR和RDn之间的最小值，这意味γe2e= min（γm，n，γDn）.（十三）3.2. 中断概率OP被定义为使系统的传输速率低于最小所需数据速率的概率。令rm， rm， n比特/s/Hz分别是来自BSRm和RmDn为了简单起见，我们设置rm rm， n r，因此系统的OP计算为：OPD= Pr[1−α log（1+γe2e）]哪里η是能量转换效率，其值=PRγe2e21−α−1<（十四）取决于收割机的质量，0<η 1。因此，继电器的发射功率由下式给出：PR=2 αηPS|HMWM|2= φ PS|HMWM|第二条，（九）将（13）中的γe2e代入（14），我们得到第（m， n）个用户的OP为：OPDn=Pr[min（γRn，γDn）<γth]（1−α）其中φ2α n/（1α）.因为继电器的传输功率是根据=1−PrγRn2R≥γth ，γDn≥γth），（十五）对于EH的量，它总是小于源的发射功率。因此，重新分配每个用户的发射功率以保持对所有用户的公平性为第（m， n）个用户分配的中继功率由bm， n表示，并且第（m， n）个用户的接收信号被给出为其中γth2 1−α1 .一、根据SNR方程，在公式（11）和（12）中，我们得到了在如（16）中的完美SIC的情况下的中断概率，其在框I中示出。基于两跳的累积分布函数（CDF）和概率密度函数（PDF），我们推导出中断概率如下。从（16）我们可以重写为yD=gnnPRxm+gn∑PRxi执行部分D=1 −Pr（X≥γthσ2i=n+1我 RnP.T. Hiep和T.M.黄/ICT Express 6（2020）1115D，n∑√∑k=1≤ ˜≤˜1−αi=n+1）n=n+1，XY≥γthσ2、第（m，n）个用户的期望的干扰信号i=n+1nPS（an−γtha）PSφ（bn−γthb<$）n−1+其他用户其中φ=2αη，αη=Nai和b=∑N˜（十七）比岛=不完全随机数间参考这意味着，需要满足an> γtha和bn> γthb。否则，anγtha和bnγthb总是发生中断。因此，分配给Dn的功率比其他的多N2002年bkPRgnxk+ n m，n.（十）16P.T. Hiep和T.M.黄/ICT Express 6（2020）11K=-=-=nn=1X=1−∞fX（x）dx+∞FY（v）fX（x）dx，（18）OPDn （N-n）！（n−1）！j=0 n+ J2×K01-02Dn∑NP S an|HMWM|2i=n+1 P a|S 我MMH W|+的2σ 2R≥γth，∑NP R b n| Gn|2i=n+1 B P |G |+ σ我Rn22D，n≥，γth）（十六）方框一借助于联合两随机变量概率的性质[9]，我们有OPD=1−∞[1−FY（v）]fX（x）dxuuγthσ2uxγthσ2其中u=P（aRa 和v=D，n 。˜Sn−γth）PSφ（bn−γthb）感谢[10]的帮助。（3.471.9）]我们得到近似值为N！N∑−n（−1）j（N−n）n+J×（−1）（n+j）1<$r（K）[（1−ρ）<$SR]K=0（v）K（4v）2SRKDj（1−ρ）2SRRDj，（十九）图3.第三章。具 有 分 数 能 量 的 每 个 用 户 的 中断概率与SNR收获α=0。3，η=0。85，a1=0。6，a2=0。3，a3=0。1.哪里K表示第二阶的修正贝塞尔函数，kind orderK.4. 数值结果在本 节中 ，提 供了 典型 的数 值结果 来分 析 SWIPT-NOMA系统在中断概率方面的性能。模拟参数设置如下。Dn的阈值数据速率为r1r2R31 [b/s/Hz]。继电器的能量转换效率系数η 0。85.中继节点数M 3和 每个集群具有三个用户。功率分配系数对于第（m，n）个u∈am，n=（N-n+1）/µ，其中µ为使得∑Nan P S=1。简化系统设计和设置，我们选择的功率分配系数在基站和中继节点是相同的。图3，我们给出了每个用户的中断概率与SNR（dB）的关系。在该图中，我们可以认识到用户3的性能在用户中是最好的，尽管分配给用户3的功率是最低的。这个原因用户3最接近中继器，即，从中继到用户3的信道增益是最大的。SIC方案完全消除了来自其他用户的干扰，因此用户3的SNR远高于其他用户的SINR。此外，在平均信噪比和高信噪比下，近似结果与仿真结果接近，这与我们的假设是合理的。用户1的近似是最好的，因为用户1的功率分配是最大的。仿真结果与理论结果的完美匹配验证了我们的分析。见图4。中断概率与接收天线数不同的SINR的关系，α= 0。3，η= 0。85，a1= 0。6，a2= 0。3，a3= 0。1.图4表示用户1在改变接收天线数量的情况下的性能。我们可以看到，增加天线的数量导致性能的改善，其原因是第一跳的分集增益提高。分析结果与仿真结果吻合较好，验证了本文分析方法的正确性。∑JP.T. Hiep和T.M.黄/ICT Express 6（2020）11175. 结论分析了采用射频EH的下行NOMA多用户网络该方法考虑了多天线的情况，采用ZFBF方法消除簇间干扰。另一方面，SIC技术也被用来消除簇内干扰。推导了中断概率的封闭表达式，仿真结果验证了理论分析的正确性。然而，ZFBF和SIC方法都被假设为完美地实现，因此簇间和簇内干扰被清楚地消除。我们将考虑由于信道估计误差而导致的不完美CSI，然后将在我们未来的工作中讨论簇内和簇间干扰的影响。竞合利益作者声明，本文中不存在利益冲突。引用[1] C. Du，X.陈湖，澳-地雷，大规模MIMO中继系统中保密无线信息和功率传输的节能优化，IET Commun。11（1）（2016）10[2] R.太阳，Y。Wang，X. Wang，Y。Zhang，基于无线能量传输的协作 非正 交 多址 系 统的 收发 器 设计 ，IET Commun 。10 （15 ）（2016）1947[3] Y. Liu，Z.丁，M.李文，无线多址接入技术，北京大 学 出 版 社 ，20 01 。选档地区Commun.34（4）（2016）938[4] T.M. Hoang，T.T. Duy，V.N.Q. Bao，关于瑞利衰落信道上的非线性无线供电部分中继选择网络的性能，在：信息与计算机科学（NICS），2016年第三届国家科学技术发展基金会会议上，IEEE，2016年，pp. 6比11[5] L.桂，Y.施，W。蔡氏F. Shu，X. Zhou，T. Liu，基于合同理论的传感器网络激励机制设计，Phys.Commun。（2018年）。[6] M. 穆罕默迪Chalise，H.A.苏拉维拉角Zhong，G.小郑：I. Krikidis，无线供电多天线全双工中继系统的吞吐量分析和优化，IEEE Trans.Commun。64（4）（2016）1769-1785。[7] H.H.M. Tam，H. D. Tuan，A.A. Nasir，T.Q. Duong，H.V. Poor，全双工多用户网络中的Mimo能量收集，IEEE Trans. 无线通信16（5）（2017）3282[8] A.A. Nasir ， X. Zhou ， S. Durrani ， R.A. 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