[論文レビュー] Distributed Multi-Relay Selection in Accumulate-then-Forward Energy Harvesting Relay Networks

Y. T. Gu, He Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 39被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、蓄電池状態情報を用いてエネルギー効率の最適化を実現する分散型エネルギー閾値ベースのマルチリレーセレクション（ETMRS）方式を、蓄えられたエネルギーを用いて中継するリレーネットワークに対して提案する。バッテリの動的挙動を有限状態マルコフ連鎖（MC）でモデル化することで、著者らはシステムのアウトージ確率の解析的表現を導出し、計算量を著しく削減したヒューリスティック最適化手法を提案する。この手法は、既存のシングルリレー方式や共通閾値方式を凌駕する性能を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates a wireless-powered cooperative network (WPCN) consisting of one source-destination pair and multiple decode-and-forward (DF) relays. We develop an energy threshold based multi-relay selection (ETMRS) scheme for the considered WPCN. The proposed ETMRS scheme can be implemented in a fully distributed manner as the relays only need local information to switch between energy harvesting and information forwarding modes. By modeling the charging/discharging behaviours of the finite-capacity battery at each relay as a finite-state Markov Chain (MC), we derive an analytical expression for the system outage probability of the proposed ETMRS scheme over mixed Nakagami-$m$ and Rayleigh fading channels. Based on the derived expression, the optimal energy thresholds for all the relays corresponding to the minimum system outage probability can be obtained via an exhaustive search. However, this approach becomes computationally prohibitive when the number of relays and the associated number of battery energy levels is large. To resolve this issue, we propose a heuristic approach to optimize the energy threshold for each relay. To gain some useful insights for practical relay design, we also derive the upper bound for system outage probability corresponding to the case that all relays are equipped with infinite-capacity batteries. Numerical results validate our theoretical analysis. It is shown that the proposed heuristic approach can achieve a near-optimal system performance and our ETMRS scheme outperforms the existing single-relay selection scheme and common energy threshold scheme.

研究の動機と目的

• 複数のエネルギー効率リレーを備えた無線駆動型協調ネットワークにおける、エネルギー制約下でのリレーセレクションの課題に取り組むこと。
• 中央集権的な調整を必要としない、完全に分散型のリレーセレクション方式の開発。
• 各リレーの有限容量バッテリの挙動を有限状態マルコフ連鎖でモデル化し、システム性能の正確な評価を可能にすること。
• 混合されたNakagami-mおよびRayleigh fadingチャネル上でのETMRS方式におけるシステムアウトージ確率の解析的表現を導出すること。
• 計算量と性能のバランスを考慮した最小アウトージ確率を達成するためのエネルギー閾値最適化を行うこと。

提案手法

• 各リレーの有限容量バッテリの充電・放電挙動を有限状態マルコフ連鎖としてモデル化し、定常分布を抽出すること。
• 独立だが同一分布でない（i.n.i.d.）Nakagami-mおよびRayleigh fadingチャネル上でのETMRS方式における、システムアウトージ確率の近似解析的表現を導出すること。
• 全探索に比べて計算量を大幅に削減できる、各リレーのエネルギー閾値を最適化するヒューリスティック手法を提案すること。
• 特にエネルギー容量が限られた小規模なシステムにおいて、最適な閾値選択をベンチマークとするため、全探索法を用いること。
• 無限容量バッテリを仮定した場合のシステムアウトージ確率の上限を導出し、実用的設計における性能限界を提供すること。
• さまざまなリレートポロジーやシステムパラメータを想定した数値シミュレーションを通じて、解析モデルおよび性能主張の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型マルチリレーエネルギー効率ネットワークにおいて、リレー数やエネルギー効率が増加した場合、システムのアウトージ確率はどのように変化するか？
• RQ2 リレーの配置が最適エネルギー閾値および全体のシステム性能に与える影響は何か？
• RQ3 全探索に比べて計算量を著しく削減できるヒューリスティックな閾値最適化手法は、近似的に最適な性能を達成できるか？
• RQ4 本稿で提案するETMRS方式は、シングルリレー選択方式や共通閾値リレー選択方式と比較して、アウトージ確率においてどの程度優れているか？
• RQ5 全リレーに共通の閾値を適用するのではなく、各リレーに個別化されたエネルギー閾値を用いることで、どの程度の性能向上が達成できるか？

主な発見

• 提案されたヒューリスティックな閾値最適化手法は、計算量を著しく削減しながらも、近似的に最適なシステム性能を達成でき、多数のリレーとエネルギー段階を有する大規模ネットワークに適している。
• リレー数が増加するにつれて最適エネルギー閾値は低下する。これは、より多くのリレーが存在することで、同じアウトージ確率を達成するための各リレーの送信電力が減少するためである。
• リレーが送信元から遠く、受信先に近い位置に配置されている場合、システムのアウトージ確率が最小化される。これは、2番目のホップチャネル品質が向上し、必要なエネルギー閾値が低減するためである。
• 提案されたETMRS方式は、すべてのシミュレーション環境において、シングルリレー選択方式および共通エネルギー閾値方式を上回る性能を示し、非一様なリレートポロジにおいてより顕著な性能向上が得られている。
• 高い伝送レートにおいて、提案方式とBARS方式との性能差が拡大する。これは、個別化された閾値適応の優位性を示している。
• 数値結果から、送信元の送信電力が高い、第1ホップ距離が短い、またはリレー数が多いネットワークでは、バッテリ容量の増大が有益であることが確認され、実用的設計の知見が得られた。