0 引言

    移動(dòng)設(shè)備（智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和IoT設(shè)備）的快速增長將無線電通信行業(yè)推向新的高度。 不同應(yīng)用和各種終端用戶提出了各個(gè)方面的要求。5G作為新一代技術(shù)，目標(biāo)是提供1 000倍的數(shù)據(jù)速率、1 ms的低延遲，并支持?jǐn)?shù)十億種即將到來的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備^[1]。NOMA的主要原理是為多用戶分配不同的發(fā)送功率，并允許這些用戶共享相同的物理資源進(jìn)行傳輸。文獻(xiàn)[2]提出了隨機(jī)部署用戶的中斷概率的NOMA性能分析，得出了一種閉式公式，與OMA技術(shù)相比，NOMA有更好的性能。文獻(xiàn)[3]從信息理論的角度提供了理論研究，得出結(jié)論：NOMA作為疊加編碼的特殊情況，可以實(shí)現(xiàn)接近香農(nóng)限制的性能。

    由于大多數(shù)低功率節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的臨時(shí)部署性質(zhì)，它們可能對(duì)有線電源充電設(shè)施的訪問有限，并且電池壽命有限。在本文中，考慮無線信息和功率同時(shí)傳輸(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)的方案。SWIPT可以有兩種實(shí)現(xiàn)模式，即時(shí)間切換（TS）模式和功率分配（PS）模式^[4]。在TS模式中，專用資源被用于能量轉(zhuǎn)移，其中收集的能量被用于將來的信息傳輸。在PS模式中，在收到無線電信號(hào)時(shí)，能量收集節(jié)點(diǎn)將信號(hào)分成兩部分，第一部分用于信號(hào)解碼，而第二部分用于能量充電。在現(xiàn)有的大多數(shù)工作中，均采用的是能量收集電路的輸出功率與輸入功率線性增長的線性能量收集模型。文獻(xiàn)[5]研究了具有SWIPT的合作NOMA系統(tǒng)，其提出了不同的用戶選擇方案并評(píng)估具有中斷概率的性能。根據(jù)文獻(xiàn)[6]所示的現(xiàn)場測(cè)試結(jié)果，這種模式被證明是不切實(shí)際的。因此，本文提出采用更加實(shí)際和符合現(xiàn)實(shí)情況的非線性模型。

1 系統(tǒng)模型

    本文考慮的是由大功率MBS、低功率中繼和低功率IoT設(shè)備（如傳感器或可穿戴設(shè)備）組成的mmWave下行鏈路無線異構(gòu)系統(tǒng)。在mmWave波段，MBS配備了大量的角狀天線，其具有窄的半波束寬度(HPBW)，可以應(yīng)對(duì)嚴(yán)重的路徑損耗，每個(gè)傳輸都使用單個(gè)天線進(jìn)行。每個(gè)低功率中繼或IoT設(shè)備由于尺寸和功率限制而配有單個(gè)天線。假設(shè)MBS可以用步進(jìn)電機(jī)來協(xié)調(diào)傳輸方向，因此可以通過仔細(xì)地對(duì)準(zhǔn)波束方向來消除小區(qū)間和小區(qū)內(nèi)的干擾。此外，由于在mmWave頻帶上存在嚴(yán)重的阻塞，中繼和NOMA被用來幫助覆蓋被阻擋的用戶。在不失一般性的情況下，選擇IoT UE 1和IoT UE 2，其中UE 1在波束形成覆蓋區(qū)域中，而在基站(Base Station，BS)和UE2之間存在嚴(yán)重的阻塞，使得MBS和UE 2之間的直接傳輸鏈路難以建立。因此，BS可以通過中繼與UE 2進(jìn)行通信。

    在本文中，假設(shè)使用設(shè)備到設(shè)備(D2D)中繼模式，以便中繼可以與近處的用戶設(shè)備(User Equipment，UE)進(jìn)行通信。假設(shè)中繼具有無線充電功能，因此，中繼所消耗的功率直接來自電磁波，這可以減輕傳統(tǒng)IoT設(shè)備電池供電量限制的困擾。使用NOMA和中繼，完整的傳輸周期由兩個(gè)階段組成：(1)在第1階段，BS通過應(yīng)用NOMA同時(shí)向UE 1和所選擇的中繼設(shè)備發(fā)送復(fù)合信號(hào)。接收到信號(hào)后，中繼將信號(hào)分成兩部分，一部分是信息解碼，另一部分是用于能量收集。(2)在第2階段，BS向UE 1發(fā)送另一消息，而中繼設(shè)備通過利用在階段1中使用收獲的能量向UE 2發(fā)送解碼的消息。

1.1 第1階段傳輸

其中，M、a、b是常數(shù)，代表無線充電中的不同物理意義；M表示能量收集電路飽和時(shí)中繼的最大收獲功率；a與b一起描述電阻、電容和電路靈敏度的聯(lián)合效應(yīng)^[7]。

    下文采用式(6)所示的模型。圖 2表示與1 000個(gè)獨(dú)立事件相關(guān)的功率輸入輸出關(guān)系，其參數(shù)設(shè)置如下：β=0.6，σ=0.099 5，M=10，a=1，b=βρ_BRσ²， ρ_BR=30 dB。

1.2 第2階段傳輸

    在第2階段，中繼利用第1階段收到的能量向UE 2發(fā)送x₂。同時(shí)，BS向UE 1發(fā)送另一個(gè)信號(hào)x₃。UE 1和UE 2處的接收信號(hào)表示如下：

2 系統(tǒng)可靠性分析

    本節(jié)采用中斷概率對(duì)所提方案的可靠性進(jìn)行理論分析。中斷概率定義為某些測(cè)量值(如SINR或數(shù)據(jù)速率)不能滿足預(yù)設(shè)閾值的事件概率。

2.1 UE 1中斷概率

    定義成功接收消息x₁、x₂和x₃的最小數(shù)據(jù)速率分別為R₁、R₂和R₃。當(dāng)接收速率低于最低數(shù)據(jù)速率時(shí)，UE將會(huì)產(chǎn)生中斷。由于UE 1涉及兩個(gè)階段，因此當(dāng)UE 1無法在階段1中解碼x₁和x₂或者在階段2中無法解碼x3時(shí)，會(huì)出現(xiàn)中斷。為簡單起見，可以先考慮其補(bǔ)充事件。具體地，可以得出UE 1的中斷概率如下：

2.2 UE 2中斷概率

    對(duì)于UE 2，由于BS僅通過中繼發(fā)送x₂，因此，這種傳輸?shù)钠款i取決于兩個(gè)階段的最小數(shù)據(jù)速率。UE 2的中斷概率為：

    以下定理為UE 2的中斷概率提供了分析結(jié)果。

2.3 高SNR下的中斷概率分析

    本節(jié)提供了在高SNR情況下的中斷概率的近似。具體地，如果ρ_B1→∞且ρ_BR→∞，則UE 1的中斷概率成為：

3 系統(tǒng)性能仿真分析

    在本節(jié)中，基于前文的分析給出了仿真數(shù)值性能結(jié)果。以下為仿真時(shí)選擇的系統(tǒng)參數(shù)：a₀=4，可導(dǎo)出角狀天線增益為6 dB^[1]；λ₁=0.4，λ₂=0.6；M=4，表示中繼的最大充電功率為4 W。將距離d_BR、d_R2和d_B1設(shè)置為較小值，分別設(shè)置為8 m、2 m和10 m，類似的設(shè)置也可以在文獻(xiàn)[6]中找到。此外，數(shù)據(jù)速率的預(yù)定義閾值為R₁=R₃=0.5 b/s/Hz，R₂=0.3 b/s/Hz。圖3示出了UE 1和UE 2關(guān)于傳輸SNR的dB的中斷概率?！癮na”代表分析結(jié)果，而“sim”是仿真的結(jié)果?？梢酝ㄟ^仔細(xì)選擇λ₁和λ₂來優(yōu)化性能。由于a和b也可能影響系統(tǒng)性能，因此UE 2的中斷概率用不同的a、b值來評(píng)估。通過固定β=0.8，提出了模擬和分析結(jié)果。從圖3可以看出，分析結(jié)果與UE 1的仿真結(jié)果吻合良好。隨著傳輸SNR的增加，中斷概率以對(duì)數(shù)標(biāo)度線性減小。對(duì)于UE 2，在a=2.5、b=3時(shí)的中斷概率低于a=6.5、b=4的情況，這表明能量收集電路會(huì)影響系統(tǒng)性能。此外，隨著傳輸SNR變大，間隙變得不太明顯。原因是隨著SNR變大，收獲的能量變?yōu)槌?shù)M。因此，如高SNR近似部分所示，中斷性能對(duì)于不同的a和b值是相同的。注意，非線性響應(yīng)只會(huì)確保收獲的能量不超過M。

    UE 2的中斷性能隨β的變化關(guān)系如圖4所示。本研究使用的參數(shù)為a=2，ρ_BR=40 dB。UE 2的仿真和分析結(jié)果都在圖中給出，可見二者吻合度非常高，隨著β的增加，中斷概率也增加；由于β是分配給能量收集單位的電力部分，當(dāng)β進(jìn)一步增加，中斷概率增加的速度減慢，傳輸剩余的功率越少，其中斷概率越高；當(dāng)β=0.1時(shí)，仿真與分析結(jié)果之間的不一致來自時(shí)的排除事件。

4 結(jié)論

    本文考慮在mmWave的無線系統(tǒng)中應(yīng)用NOMA和SWIFT的通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高功率基站和低功率IoT設(shè)備組成。由于較低功率的IoT設(shè)備沒有外部電源，電池壽命有限，為了保證低功率IoT設(shè)備持續(xù)幫助其他用戶傳輸信息，低功率IoT設(shè)備可以從電磁信號(hào)中獲取能量。為了使能量收集模型更切實(shí)際，采用非線性能量收集模型。最后，對(duì)于提出的方案和系統(tǒng)模型給出了中斷概率的理論分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性。

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作者信息:

邱  歡，喬  坤

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710065）