基于能量收集的车载通信技术解析

### 基于能量收集的车载通信技术解析 #### 1. 能量收集（EH）车载通信性能评估 在车载通信领域，能量收集技术的应用为解决通信中的能量问题提供了新的思路。为了验证一些提出的技术方案的效率，研究人员在双选择性车载信道下进行了模拟。其中，动态功率分配（DPS）作为一种基准方案被用于性能比较，它会均匀分配发射功率，并在每个时隙优化功率分配因子 ρk。 研究发现，联合功率分配与分割（JoPAS）和离散功率分配与分割（DePAS）这两种方案在速率 - 能量（R - E）区域上比 DPS 有显著提升，且 DePAS 和 JoPAS 之间的 R - E 区域差异可以忽略不计。从可实现的平均速率性能来看，与 DPS 相比，JoPAS 和 DePAS 在满足相同能量收集（EH）要求的同时，能提高信息解码（ID）的平均速率，特别是在需要大量 EH 时，这种优势更为明显。这是因为 DPS 仅利用信道状态信息（CSI）来优化功率分配因子，而功率分配并未根据 CSI 进行调整。此外，DePAS 的可实现平均速率接近 JoPAS，但复杂度要低得多。 #### 2. 车载网络中的 EH 中继技术 #### 2.1 EH 中继技术的背景与优势 将同时无线信息与功率传输（SWIPT）和协作中继相结合产生了 EH 中继技术，这一技术有望推动绿色 5G 通信的发展。5G 无线网络旨在容纳高移动性的用户设备，如汽车、卡车或高速列车等。然而，这些设备的高速移动会导致无线通信信道出现显著变化和性能下降。协作中继技术可以利用不同用户设备经历的不同衰落条件，形成协作分集，从而减轻这种变化的影响。另外，偏远地区基础设施不足也是一个挑战，许多高速公路和铁路经过人口稀少的地区，基站（BS）和路侧单元（RSU）稀少，新建成本高。中继技术已被证明可以提高蜂窝系统的能量效率并扩展覆盖范围，同时车辆往往会形成集群，这使得它们有可能作为协作中继参与通信。EH 中继技术为车辆提供了参与协作中继的激励，而无需消耗自身的功率。 #### 2.2 EH 中继相关工作概述 | 通信方向 | SWIPT 方法 | 中继模式 | 中继选择 | 中继协议 | | --- | --- | --- | --- | --- | | 单向 | TS & PS | HD | 无 | AF | | 单向 | TS | FD | 无 | AF & DF | | 单向 | N/A | FD | 无 | AF | | 单向 | PS | HD | SRS | AF | | 单向 | PS | FD | 无 | AF | | 双向 | PS | FD | GRS | AF | 由于 EH 中继目前还无法直接处理信号携带的信息，因此需要通过基于时间切换的中继（TSR）或基于功率分割的中继（PSR）协议来协调 EH 和信息处理（IP）。接下来将从两个角度回顾不同的 EH 中继方案：一是中继操作模式（半双工 HD 或全双工 FD）；二是中继参与模式（随机或最优选择中继参与）。 #### 2.3 HD 和 FD EH 中继 传统上，大多数研究集中在 HD EH 中继上，每个传输周期分为两个阶段。在第一阶段，中继使用 SWIPT 接收来自源的信号；在第二阶段，中继使用第一阶段收集的能量将信号转发到目的地。近年来，也对具有 SWIPT 的 HD 中继网络的吞吐量进行了研究。 随着硬件和/或软件自干扰缓解方法的突破，FD 中继网络受到了研究人员的关注，因为在许多场景中，它们比 HD 中继网络具有显著的性能优势。在这些系统中，中继能够进行 FD 操作，即通过共享无线电资源同时接收和发送信号。理论上，吞吐量可以接近传统无 EH 中继网络的两倍。但考虑到实际问题，如自干扰和不同的 TS/PS 设计，需要更仔细地研究 FD EH 中继网络的性能。 以下是几种不同的 FD EH 中继方案： - **FD - TSR - I**：采用时间切换因子 α ∈[0, 1]，将长度为 T 的每个传输周期根据 α 分为两个阶段。在第一阶段 t ∈[0, αT )，中继仅进行 EH；在第二阶段 t ∈[αT, T )，中继同时接收和处理来自源的信息，并使用放大转发（AF）或解码转发（DF）中继协议将其转发到目的地。可以通过单变量优化技术获得使网络吞吐量最大化的全局最优 TS 因子 α。 - **FD - TSR - II**：每个传输周期分为两个均等的阶段。与 FD - TSR - I 不同，在第一个半周期，中继仅进行 IP；在第二个半周期，中继在转发第一阶段接收到的信息的同时，收集源发送信号携带的能量。由于中继在第二阶段不接收信息，因此环回自干扰实际上有利于网络性能。 - **FD - PSR**：中继可以不间断地同时发送和接收信息。在中继处，根据功率分割因子 ρ 将接收到的信号分别用于 EH 和 IP。 通过模拟比较了这三种方案的端到端容量，参数设置如下：源发射功率为 30 dBm，S - R 和 R - D 信道的平均路径损耗为 - 60 dB，所有信道响应假设遵循瑞利衰落，噪声功率为 - 90 dBm。结果表明，在较强的环回自干扰下，FD - TSR - II 优于其他两种方案；在较弱的环回自干扰下，FD - TSR - I 和 FD - PSR 表现更好。为了确保公平比较，将 FD - TSR - II 的环回自干扰信道增益设置为 - 15 dB，FD - TSR - I 和 FD - PSR 设置为 - 60 dB。所有方案都优于 HD TS 中继，而 FD - PSR 实现的平均容量明显高于 FD - TSR - I 和 FD - TSR - II。 ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width ```