[論文レビュー] An Adaptive Transmission Protocol for Wireless-Powered Cooperative Communications

Y. T. Gu, He Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、無線パワー供給による協調通信における適応型送信（AT）プロトコルを提案する。ハイブリッドアクセスポイント（AP）は、チャネル状態情報（CSI）に基づいて、直接送信（HTT）と協調リレーリング（HTC）の間を動的に選択し、スループットを最大化する。ATプロトコルは、Nakagami-m fadingチャネルにおいて、HTTおよびHTCプロトコルよりも顕著に高い平均スループットを達成しており、モンテカルロシミュレーションを用いた解析的性能の妥当性が確認されている。

ABSTRACT

In this paper, we consider a wireless-powered cooperative communication network, which consists of one hybrid access point (AP), one source and one relay to assist information transmission. Unlike conventional cooperative networks, the source and relay are assumed to have no embedded energy supplies in the considered system. Hence, they need to first harvest energy from the radio-frequency (RF) signals radiated by the AP in the downlink (DL) before information transmission in the uplink (UL). Inspired by the recently proposed harvest-then-transmit (HTT) and harvest-then-cooperate (HTC) protocols, we develop a new adaptive transmission (AT) protocol. In the proposed protocol, at the beginning of each transmission block, the AP charges the source. AP and source then perform channel estimation to acquire the channel state information (CSI) between them. Based on the CSI estimate, the AP adaptively chooses the source to perform UL information transmission either directly or cooperatively with the relay. We derive an approximate closed-form expression for the average throughput of the proposed AT protocol over Nakagami-m fading channels. The analysis is then verified by Monte Carlo simulations. Results show that the proposed AT protocol considerably outperforms both the HTT and HTC protocols.

研究の動機と目的

• 固定プロトコル（HTT や HTC）が特定のチャネル状態では性能が劣る可能性がある、無線パワー供給による協調ネットワークにおける性能のトレードオフを解消すること。
• リアルタイムのCSIに基づいて、直接送信と協調送信の間を動的に選択する動的送信戦略を開発すること。
• RFエネルギー回収を伴う遅延制限付き、エネルギー制限付きネットワークにおける平均システムスループットを最大化すること。
• Nakagami-m fading 環境下でのアウトージ確率および平均スループットの閉形式表現を導出することにより、性能解析を行うこと。

提案手法

• APは各送信ブロックの開始時に、ソースを充電し、APとソース間のCSIを推定する。
• CSIに基づき、アウトージ確率を最小化するように、直接送信（HTT）または協調リレーリング（HTC）を適応的に選択する。
• プロトコルはアンプリファイアンドフォワードリレーめんを用い、固定レート R における遅延制限付き送信モデルを想定する。
• アウトージ確率は、Nakagami-m フェージング上での統計的チャネルモデルを用いて導出され、主要な式には一般化マーカム Q 関数と積分近似が含まれる。
• 平均スループットは、アウトージ確率と必要な送信レート R を組み合わせることで評価される。
• モンテカルロシミュレーションにより解析的結果が検証され、ATプロトコルの優位性が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 変動するチャネル状態下でも、固定プロトコル（HTT および HTC）を上回る性能を示せる適応型送信プロトコルは、無線パワー供給による協調ネットワークで実現可能か？
• RQ2 CSIに基づく直接送信と協調送信の選択は、エネルギー制限付きネットワークにおけるシステムスループットにどのように影響を与えるか？
• RQ3 Nakagami-m フェージングチャネル上での適応型プロトコルの平均スループットの解析的表現は何か？
• RQ4 アウトージ確率およびスループットの観点から、ATプロトコルはHTTおよびHTCプロトコルと比較して、定量的にどの程度優れているか？
• RQ5 フェージングの深刻さ（m パrameter）は、適応型プロトコルの性能向上にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 提案された適応型送信（AT）プロトコルは、すべてのチャネル状態において、HTTおよびHTCプロトコルよりも顕著に高い平均スループットを達成する。
• HTCがアウトージに陥るがHTTはそうでない状況において、CSIに基づく動的選択によりATプロトコルはHTCを上回る性能を発揮する。
• ATプロトコルの平均スループットの解析的表現は、一般化マーカム Q 関数および積分近似を用いて近似的な閉形式で導出された。
• ATプロトコルのアウトージ確率は、特にフェージングが強い環境ではHTCよりも低く、知的なプロトコル切り替えによるものである。
• 数値結果により、解析的スループット式とモンテカルロシミュレーションの結果がよく一致しており、導出された近似式の正確性が裏付けられた。
• ATプロトコルの性能向上は、中程度から高い信号対雑音比（SNR）領域で最も顕著であり、適応的選択がスペクトル効率を最大にする。