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(zhǎng)將無(wú)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(lái)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(wèn)有限，并且電池壽命有限。在本文中，考慮無(wú)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(lái)的信息傳輸。在PS模式中，在收到無(wú)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(zhǎng)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(chǎng)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(wú)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(lái)協(xié)調(diào)傳輸方向，因此可以通過(guò)仔細(xì)地對(duì)準(zhǔn)波束方向來(lái)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(lái)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(guò)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(wú)線充電功能，因此，中繼所消耗的功率直接來(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)法在階段1中解碼x₁和x₂或者在階段2中無(wú)法解碼x3時(shí)，會(huì)出現(xiàn)中斷。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，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(guò)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。“ana”代表分析結(jié)果，而“sim”是仿真的結(jié)果。可以通過(guò)仔細(xì)選擇λ₁和λ₂來(lái)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(lái)評(píng)估。通過(guò)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(guò)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(jiàn)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(lái)自時(shí)的排除事件。

4 結(jié)論

    本文考慮在mmWave的無(wú)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(méi)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）