《能量收集增強型無人機中繼輔助傳輸設計》論文發表期刊：《計算機仿真》；發表周期：2020年11期

《能量收集增強型無人機中繼輔助傳輸設計》論文作者信息：[作者簡介]李玉琦（1993-），男（漢族），河南洛陽人，碩士研究生，主要研究領域為中繼協同通信，UAV輔助通信：翼保峰（1985-），男（漢族），河南洛陽人，博士，副教授，碩士研究生導師，主要研究領域為干擾管理中繼協同、毫米波MIMO；高宏峰（1966-），女（漢族），河南洛陽人，博士，教授，碩士研究生導師，主要研究領域為編碼理論、通信信號處理、人工神經網絡、遺傳算法等：文紅（1969-），女（漢族），四川成都人，博士，教授，博士研究生導師，主要研究領域為通信網絡安全技術、無線通信物理層安全技術、天地一體化網絡安全技術、云計算及邊緣計算安全技術、無線通信可靠技術等.

　　摘要：針對無人機(Unmanned Aerial Vehicles，UAV)中縫輔助通信系統中，源和目的節點之間的信息傳輸由于大尺度衰落等原因故需要無人機作為中繼進行輔助完成，其中無人機中繼采用時間切換和功率分配的方式進行能量收集(Energy Harves-ting，EH)，且利用最大化系統鏈路信噪比的無人機中繼選擇策略。利用概率密度函數分析法推導了終端在收到無人機中繼傳輸的信息后，受到環境中聚合干擾情況下，系統的中斷概率閉合表達式。在此基礎上利用Q函數得到了系統的誤碼率。此外分析了終端在受到聚合干擾以及延遲受限狀態下系統的中斷概率和吞吐量。結果表明所提出的比例因子、發射功率和無人機中繼選擇的多參數聯合優化可有效提升系統的吞吐量并降低系統的中斷概率和誤碼率。仿真驗證了所提方案的有效性和理論分析的正確性，聯合優化方案可以有效地提升系統性能.

　　關鍵詞：無人機：能量收集：方案設計：聚合干擾

　　ABSTRACT: Due to large-scale fading in UAV relay assisted communication system, the infomation transmission between the source node and the destination node needed UAV as a relav. UAV relay adopted the time switch and power allocation to complete the energy harvesting (EH). Moreover, the relay selection strategy of maximizing the signal-to-noise ratio of UAV system link and the probability density function analysis method were used to derive the closed expression of outage probability with the aggregated interference in environment when the terminal received the information sent by UAV relav. On this basis, the bit error rate of system was obtained by Q function. In addition the outage probability and throughput of the system under the aggregated interference and delay limitation were ana-Ivzed. The results show that the proposed multi-parameter joint optimization based on scaling factor, transmit power and UAV relay selection can effectively improve the system throughput and reduce the outage probability and bit error rate. Simulation experiments verify the effectiveness of the proposed scheme and the correctness of theoretical analvsis. Therefore, the joint optimization can effectively improve the system performance.

　　KEYWORDS: Unmanned aerial vehicles (UAV) ; Energy harvesting (EN); Scheme design; Aggregated interference

　　1引言

　　隨著無線通信技術的快速發展以及無人機制造技術的持續革新，使得無人機設備小型化和成本不斷降低，因此許多新型無人機應用在民用領域出現，包括天氣監測、森林防火、無人機物流、應急搜救等，無人機技術的廣泛應用勢必需更加深入研究無人機通信".

　　現階段無人機通信已被作為5G通信的重要組成部分，早期的移動網絡由于其技術只能實現人與人之間的互聯，5G網絡將擴展為“人”到“物”互聯的3D立體覆蓋，并且5G網絡預期可實現10 Ghps以上的吞吐量傳輸，超高密度的設備連接以及毫秒級傳輸時延等[。由于城市熱點地區蜂窩基站等建設非常困難，因此諸多核心問題的解決亟需無人機中繼輔助通信的實現。無人機通信具有很多優勢，例如其方便的部署和更低的成本使得低空無人機系統比地面通信系統和高空平臺更加靈活，此外，低空無人機通信可以減少建筑物、山脈等障礙物的遮擋，可獲得更高的直達徑傳輸效果1。然而，無人機是電池供電終端，其續航和耗電是其本身需解決的關鍵問題，通常情況下無人機使用時其設備的電池難以直接更換，直接決定了無人機的工作時長。因此，本文采用無人機中繼輔助的能量收集和信息傳輸技術，不僅可提升無人機通信系統的壽命，而且可降低系統維護成本并減少電池使用量[

　　由于實際的無人機電路系統很難做到同時實現能量收

　　集和信息處理[5.4。因此，本文使用了無人機是時間切換

　　(Time Switching，Ts)和功率分裂(Power Splitting，PS)兩種方案，前者通過時隙劃分，一部分時隙用于能量收集，另一部分用于信息處理[：后者則是將功率分為兩部分，一部分用于能量采集，另一部分用于信息處理。采用上述兩種方案可實現無人機利用相同天線進行能量收集和信息處理。早期的能量收集技術多才有太陽能、風能等，隨著技術

　　發展RF能量收集技術受到了學者們廣泛的關注。RF能量收集的研究大多關注于傳統的兩跳網絡，Min Dong等研究了基于具有能量收集功能的兩跳放大轉發(Amplify and For-

　　ward，AF)中繼網絡，通過對信源和中繼的聯合功率控制與分配，瑞利衰落信道下延遲約束的平均速率最大化.A.

　　Nasir等研究了能量收集中繼放大轉發系統，在延遲受限和延遲容忍傳輸情況下系統的中斷概率及系統容量[10.Zhiguo Ding等分析了一種多源到目的節點中繼能量收集的傳輸方式11 0.BadfengJi等研究了一種能量收集AF中繼向下行兩信宿分別傳輸能量和信息的兩跳模型系統性能[12對于無人機中繼引入RF能量收集已存在很多研究。

　　Meng Hua等研究AF無人機中繼網絡，基站對無人機同時無線信息和能量傳輸(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)，聯合多參量使吞吐量最大化[1

　　Lifeng Xie等研究了一種UAV上行傳輸能量收集系統，UAV使用無線功率傳輸向用戶充電，用戶使用收集能量后向UAV發送信息[14.Sixing Yin等研究了一種典型的單源雙目標系統，基站對無人機SWIPT，聯合多參量使吞吐量最大化1。

　　Weidang Lu等提出了一種基于正交頻分多址(OFDM)中繼無線功率傳輸的能量約束無人機通信網絡協議[.Sising Yin等主要研究了一種能量約束無人機蜂窩網絡，該網絡作為所有用戶通過合作通信提高上行速率的中繼。

　　由于未來無線通信的超密集部署使得終端所受到的干擾十分嚴重，因此，本文利用無人機的移動性和多無人機中繼的輔助通信來完成信源與終端之間的信息傳輸，為提高無人機中繼輔助通信系統的性能，本文提出了機會無人機中繼選擇和部分無人機中繼選擇兩種選擇方案。在該無人機中繼輔助通信系統中，能量收集分別采用TS和PS兩種協議方案，分析計算最優的比例因子以達到最大吞吐量性能。

　　本文主要貢獻如下：

　　1)提出了TS和PS協議下基于能量收集的DF中繼選擇網絡中，無人機中繼輔助的能量收集和信息傳輸方案;

　　2)推導了Nagamai-m衰落信道下，無人機中繼輔助通信系統終端在受到聚合干擾情況下的中斷概率、誤碼率的閉合表達式：

　　3)通過推導的中斷概率、誤碼率等分析結果，利用比例因子和信源節點發射功率及無人機中繼選擇的聯合優化，推導了無人機中繼輔助系統終端受到聚合干擾時的系統吞吐量。

　　2系統模型

　　本文考慮兩跳單向能量收集的無人機中繼選擇輔助通信模型(如圖1所示)，其中通過多個無人機之間選擇最優中繼進行譯碼轉發。該系統由信源節點S、多個無人機中繼節點(標記為1，2，)和終端節點組成。由于障礙物等阻擋致使信源節點無法直接和終端節點通信，需要無人機中繼實現輔助通信，其中傳輸過程分為三個階段，第一階段，信源節點s向被選中的無人機中繼節點R，發送信號s，信源節點s與所選無人機中繼之間的信道為h，;第二階段，無人機中繼通過信源的發送信號進行能量收集并進行譯碼轉發，其中能量收集和譯碼轉發階段分為TS和PS兩種方案，無人機中繼R，將信號s轉發給終端節點D，被選中無人機中繼與終端節點之間的信道為g;第三階段，終端節點對收到的信號進行譯碼和接收。假設信道為準靜態塊衰落，信道h，和g服從于統計獨立的Nakagami-m分布。

　　假定每個無人機中繼鏈路間的信號傳輸是獨立同分布的，而終端節點受到來自環境多網絡覆蓋下的聚合干擾，假定終端節點上接收到的第i個干擾的功率為Pi，i為整數，范圍為[1，M]。信道衰落增益等于pi，且服從Nakagami-m分布。

　　3基于能量收集的無人機中繼輔助通信協議為了解決無人機中繼能量收集和信息傳輸的問題，提出了無人機中繼輔助通信系統的時間分配和功率分配協議。

　　下面闡述分析TS和PS方案的無人機中繼通信過程。

　　3.1 TS方案

　　TS方案根據時間間隔將能量收集和信息處理分為三個部分，其TS協議的時間分配如圖2所示。T是用于能量收集和信息處理的總時間，在整個時間塊T中，首先，無人機中繼節點進行能量收集的持續時間為aT，其中a為協議中時間劃分比例因子，取值范圍為0ka<1，剩下(1-a)T時間則用于信息處理，傳輸過程中獲取的能量全部用于將信號轉發給終端節點D.

　　TS方案無人機中繼時間分配方案如圖3所示。信源節點S向被選中繼節點發送信號s，則無人機中繼接收信號可表示為

　　y，=Phis+ nn

　　(1)

　　其中PS為信源節點S的發射功率，n，為信源和無人機中繼信道的加性高斯白噪聲，且服從n，~(0，02)。

　　因此，可獲得無人機中繼的信噪比為Ya，Il，IP o

　　(2)

　　且無人機中繼收集的能量為

　　Eh =nyP.Ilb，lFar

　　(3)

　　其中 是能量轉換效率，無人機中繼傳輸信號到終端節點的傳輸時間為(1-a)T2，因此無人機中繼的傳輸功率是r，-T-a)T-1-aT

　　，=

　　Eh_7P.Ils，lParT

　　(4)

　　由于終端節點受到環境中密集覆蓋網絡的聚合干擾的影響，因此，終端節點接收信號可表示為

　　=FBtn

　　(5)

　　s’為無人機中繼譯碼后的信號，ndj 為第 j 無人機中繼與終端節點之間的AWGN，其中P，是第i個干擾的發射功率，B是第i個干擾發射機與終端節點的信道，M為干擾數。x是第i個干擾的發射信號，可得終端節點處的信噪比為P，Ilsg，IP YepP Ile，IP + o2

　　(6)

　　3.2 PS方案

　　不同于TS方案，PS方案主要分為兩步。第一步，信源節點S向被選無人機中繼節點發送信號，在此過程中，能量則按功率分割方式分為兩部分，0Ps用于無人機中繼能量收集，而(1-6)Ps則用于信源節點向所選無人機中繼發送信息，其中0表示比例因子，取值范圍為0

　　圖4描述了用于無人機中繼能量收集的示意圖。

　　PS方案無人機中繼功率分配方案如圖5所示，可得無人機中繼接收信號為

　　y，=(1-6)Phs +n

　　(7)

　　因此，通過式(7)可知無人機中繼端接收的信噪比為Ysng

　　(1-8)P，Il，F

　　0

　　(8)

　　由于PS方案中繼節點的能量收集時間為T/2，因此中繼所收集的能量為

　　EhsP，Ib，P eor

　　(9)

　　2能量收集過程持續時間為T2，由于式(9)可得無人機中繼的發射功率為

　　P，=點

　　1 =mP.Ih，lFee終端節點接收的信號為

　　yd=Fg+ EFB+nt

　　(10)(11)

　　所以終端節點的SINR是

　　P.Ils，IPYp“l. oro

　　(12)

　　4性能分析

　　本部分對所提出的無人機中繼輔助通信方案進行了性能分析，推導其中斷概率和誤碼率的表達式.

　　4.1 無人機中繼輔助通信的中斷概率由于存在多個無人機中繼，因此，本文通過選擇最優無人機中繼進行輔助通信，所采用的選擇準則是信噪比最大化，假定被選無人機中繼為R，則選擇準則即為SN，= mas(yrp)

　　(13)

　　當用戶獲得的信噪比小于設定傳輸閾值時，則無人機中繼輔助通信傳輸中斷，因此，當傳輸閾值為Ya時，則終端節點的中斷概率可推導如下

　　Pa = PSN R，Yal P，Ils，IF epr(max +'a(14)

　　-Пи

　　P.lleg，IF EP B.P +o

　　由于信道范數平方lle，P服從gamma分布，則其概率密度函數表達式可表示為0

　　fr，lle()et B"r(a)

　　其中式(15a)中的參數分別如下

　　(15a)

　　其中式(15a)中的參數分別如下r(a)=(c-at

　　(15b)

　　a=oagA.6)

　　B=甲

　　(15c)(15d)

　　r(.)表示Gamma函數.0a是陰影傳播參數，可用分貝表示.P，是節點接收信號的平均功率(z由于在高信噪比下噪聲與干擾相比其影響可忽略不計，因此假定噪聲方差為0.終端信噪比分母部分的聚合干擾1d的概率密度函數為Qa A-1 e fu(y)=

　　(16)

　　M是終端節點D的干擾數，2是平均干擾信號的總信噪比，其表達式為

　　(r(м +))a

　　(17)

　　其中P.為干擾信號的平均功率.

　　因此，根據式(15)和式(16)可推導得系統終端節點的概率密度函數表達式為(c2 ={()()

　　j意

　　.(ay)-e-

　　n"r(M)BГa)dy

　　2-1.(+).T(M + a)

　　Q"T(M)B"T(a)

　　(18)

　　從而通過一些推導和計算，可獲得終端節點D在受到聚合干擾時的中斷概率為

　　Pa=(lscyP.B.IP

　　-1.0"r(M +a)

　　M-a

　　-1"1"(M Pr(a)

　　B

　　=[uya".F(M + arail + a：-

　　(19)

　　F(M+a)Q"

　　其中(=r(M)(B)"Tla+1，所以無人機中繼輔助通信系統的中斷概率是：Pa=1-(1-P)(1-P)

　　(20)

　　Pa為系統第一跳中斷概率，假設其值與比例因子相同.

　　4.2 無人機中繼輔助通信的誤碼率在此基礎上，可由中斷概率即式(19)推導獲得終端受聚合干擾時的誤碼率如下

　　PE =EQ()}

　　F(M +a，a:l +a-

　　凸a

　　(21)

　　其中超幾何函數的公式可以表示為

　　[2，(M + arail a：-)

　　-[2.14))，(-"(2)

　　M+a)，(a TT其中(.)，是階乘冪(Pochhammer)，定義為

　　(g)：=q(q+ 1)…(g+k-1)=Dq +4)(22b)

　　Tg)

　　因此，將式(22a)代入式(21)可得到誤碼率

　　PER = EtQ(Vy)}

　　-..t，.a)

　　(1+a)(-2)“

　　IA.d

　　=112：(Mta)，(a)g21

　　(1 +a)ua

　　(-g)

　　T-.r(Na+N+)

　　(23)

　　r的值表示調制方案.當 =1，即BPSK調制，當 =2，即QPSK調制·此外，可以得到系統在延遲受限條件下的容C =-P)log(l ra

　　2

　　(24)

　　該最優吞吐量的獲得取決于無人機中繼輔助通信系統中信息傳輸的有效時間，所以TS方案的系統吞吐量為T=C.(1-a)

　　(25)

　　而PS方案的系統吞吐量

　　T= C(26)

　　5仿真與分析

　　本章對所提方案的系統性能進行了仿真和分析，并對本文的理論分析進行了測試和驗證。仿真中的參數設置如下：無人機中繼數N，中繼選擇采用最大化信噪比準則，無人機中繼能量收集的效率轉換值為n-1，終端節點受到的聚合干擾數為M.TS方案中比例因子為a，PS中比例因子為8.發射端信噪比為y0，傳輸數據長度為L= 100，信道衰落服從Nakagami-m分布.

　　圖6與圖7所示為當發射功率固定時，在不同門限下系統的吞吐量和中斷概率在TS和PS方案下隨比例因子變化而變化的曲線。中繼數為N-3，干擾數為M=2，干擾發射功率分別為P1-6 w，P2=4 w，系統發射功率y0=20 dB，門限為yth=[3，8，15]

　　在圖6可以看出不同門限下，吞吐量最大位置和其值在變化。門限值越小，不僅系統的最大吞吐量越大，而且最大吞吐量的位置在比例因子越小的地方。在比例因子較小時中繼收獲的能量較小，發射功率較低所以吞吐量較小.隨著a與0的繼續增大系統達到最優值，超過一定值后數據傳輸越來越少直至為0，吞吐量一直下降。圖中可以看出TS方案在能量收集較少時，系統吞吐量明顯比PS方案好.但在數據接收較少時，Ps方案吞吐量優于T5方案.

　　圖7是在相同條件下中斷概率隨系統比例因子變化而變化的曲線。明顯可以看出TS方案在相同門限下優于PS方案。在比例因子較小時中繼收獲的能量較小，發射功率較低所以中斷概率較高·隨著a與e的繼續增大系統達到最優值中斷概率最小，達到最優值以后系統數據傳輸越來越少導致中斷概率不斷增大，最后a&e=1時，無數據傳輸系統全中斷。

　　圖8與圖9所示為當發射功率固定時，不同干擾數的情況下，系統的吞吐量和中斷概率在TS和PS方案下隨比例因子變化而變化的曲線。中繼數為N=3，干擾數為M=[0，2，

　　4]，，干擾發射功率分別為P1=6 w，P2=4 w，P3=6 w，P4=

　　4w系統發射功率%-20 dB，門限值為ya=8w.圖8中沒有干擾的情況下，系統吞吐量達到理想值，其值明顯高于2干擾和4干擾的吞吐量。在相同干擾數的情況下，TS和PS方案存在交點橫坐標分別為0.14，0.55，0.76當a與0小于交點橫坐標時，TS方案優于P5方案，當a與0大于于交點橫坐標時，PS方案優于TS方案.

　　在圖9中可以看處最小值橫坐標隨著干擾數增加向a與8更大位置移動，即要達到中斷概率最小值系統需要收集更多的能量來支持中繼發射.在相同干擾數的情況下，TS方案中斷概率整體優于PS方案.理想0干擾下系統，中斷概率明顯小于2干擾和4干擾的情況.

　　在圖10與圖11中，系統中繼數為N=3，干擾數為M=

　　2，干擾發射功率分別為Pl=6w，P2=4w.門限為Ya=8，系統發射功率Y。不斷變化.由仿真可知在不同的比例因子情況下，系統的吞吐量和中斷概率在TS和PS方案下隨發射功率變化而變化的曲線。其中aie=D0.2，0.7]。從趨勢上看圖10，在a&e-0.7的情況下TS方案系統吞吐量增長緩慢隨后趨于直線狀態，這是由于系統的數據傳輸量固定，其傳輸以達到最大吞吐量，發射功率的增加對系統吞吐量的影響微乎其微。在a&e=0.7的情況下PS方案吞吐量先快速增長隨后增長速度變慢.a&e=0.2的情況下TS方案和PS方案中系統一直保持快速增長。從數值大小上看，在相同比例因子的情況下，TS和PS方案存在交點.當y。小于交點橫坐標時，TS方案優于PS方案。當%大于于交點橫坐標時，Ps方案優于TS方案.

　　圖11中，ase=0.7的情況下TS方案系統中斷概率緩慢下降隨后趨于直線狀態.a&e=0.7的情況下PS方案中斷概率先快速減小隨后減小速度變慢.a&e=0.2的情況下TS方案和PS方案中系統中斷一直保持快速減小.

　　圖12表示系統干擾數為M=2，中繼數N=[0，3]，干擾發射功率分別為P1-6w，P2=4 w，門限為yw=8，系統發射功率%不斷變化.圖中所示為系統最優吞吐量隨發射功率變化而變化的曲線，增加中繼選擇可以有效的增大系統吞吐量.Ts方案最大吞吐量高于PS方案.

　　圖13表示系統誤碼率的曲線，系統干擾數為M=2，中繼數N-3，干擾發射功率分別為P1=6 w，P2=4w，門限為Ya=8，比例因子a&e=0.5，并且系統發射功率Y不斷變化.

　　可以看出隨著發射功率變化系統誤碼率不斷下降.而且TS方案誤碼率小于PS方案.

　　6結論

　　這篇文章對提出的具有能量收集的多無人機中繼選擇傳輸方案進行研究，分析了目的節點在受到聚合干擾的情況下用戶的中斷概率以及吞吐量，并且推導出了系統在Nakagami-m衰落信道下，PS方案和TS方案的閉合表達式。仿真結果表明通過對比例因子、發射功率和中繼選擇的聯合優化可以有效提升系統吞吐量，降低中斷概率，值得說明的是

　　本文是從能量收集和信息傳輸的角度提出了方案并進行了

　　系統性能的分析，后續將對無人機通信的軌跡優化、朱群通

　　信進行進一步優化和研究.

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