[論文レビュー] Incremental Accumulate-then-Forward Relaying in Wireless Energy Harvesting Cooperative Networks

Ziyi Li, He Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、無線電波エネルギー効率の高い協調型ネットワークにおけるインクリメンタル・アキュムレート・スイート・フォワード（IATF）リレーポロトコルを提案する。このリレーポロトコルでは、ソースからRFエネルギーを収集したリレーノードが、必要に応じてのみ協調し、アウトージェの性能を向上させる。リレーノードのバッテリを有限状態マルコフ連鎖としてモデル化することで、閉形式のアウトージェ確率を導出し、IATFが協調なしの直接伝送よりも著しく優れていることを示している。

ABSTRACT

This paper investigates a wireless energy harvesting cooperative network (WEHCN) consisting of a source, a decode-and-forward (DF) relay and a destination. We consider the relay as an energy harvesting (EH) node equipped with EH circuit and a rechargeable battery. Moreover, the direct link between source and destination is assumed to exist. The relay can thus harvest and accumulate energy from radio-frequency signals ejected by the source and assist its information transmission opportunistically. We develop an incremental accumulate-then-forward (IATF) relaying protocol for the considered WEHCN. In the IATF protocol, the source sends its information to destination via the direct link and requests the relay to cooperate only when it is necessary such that the relay has more chances to accumulate the harvested energy. By modeling the charging/discharging behaviors of the relay battery as a finite-state Markov chain, we derive a closed-form expression for the outage probability of the proposed IATF. Numerical results validate our theoretical analysis and show that the IATF scheme can significantly outperform the direct transmission scheme without cooperation.

研究の動機と目的

• リレーノードでのエネルギー枯渇問題を解消するため、リレーノードにエネルギー効率の高い技術を導入すること。
• リレーノードの協調行動を知的に管理することで、無線エネルギー効率の高い協調型ネットワーク（WEHCN）におけるアウトージェ確率を低減すること。
• リレーノードが蓄積したエネルギーが十分に確保された場合にのみ、機会的（オポチュニスティック）に協調できるプロトコルを設計すること。
• リレーノードのエネルギー充電および放電行動を有限状態マルコフ連鎖としてモデル化し、正確な性能評価を可能にすること。
• 提案されたプロトコル下でのアウトージェ確率の閉形式表現を導出すること。

提案手法

• リレーノードが蓄積したエネルギー状態に基づき、必要な場合にのみ協調するインクリメンタル・アキュムレート・スイート・フォワード（IATF）リレーポロトコルを設計する。
• リレーノードのバッテリの充電および放電プロセスを有限状態マルコフ連鎖としてモデル化し、時間的エネルギー動態を捉える。
• 直接リンクとリレーヘッドリンクの連携動作を分析することで、IATFプロトコルのアウトージェ確率を定式化する。
• マルコフ連鎖モデルとシステムレベルの伝送制約を用いて、アウトージェ確率の閉形式表現を導出する。
• IATFの性能を、アウトージェ確率とエネルギー効率の観点から直接伝送と比較することで評価する。
• 数値結果を用いて理論的分析を検証し、非協調伝送に比べてIATFが優れていることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー制約を尊重しつつ、無線エネルギー効率の高いネットワークにおけるリレーノードの協調行動をどのようにスケジューリングすれば、アウトージェを最小限に抑えられるか？
• RQ2 エネルギーの蓄積とバッテリのダイナミクスは、協調リレーリングのアウトージェ性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 リレーノードがエネルギー効率の制約下で動作する場合、アウトージェ確率の閉形式表現を導出できるか？
• RQ4 提案されたIATFプロトコルは、直接伝送と比較して信頼性およびエネルギー効率の観点でどのように差をつけるか？
• RQ5 WEHCNにおいて、エネルギーの蓄積と伝送の信頼性のバランスを最適化する協調戦略は何か？

主な発見

• IATFプロトコルは、リレーノードが十分なエネルギーを蓄積した場合にのみ機会的協調を可能にすることで、直接伝送に比べてアウトージェ確率を顕著に低減する。
• IATF方式のアウトージェ確率は、リレーノードのバッテリの充電および放電行動を有限状態マルコフ連鎖としてモデル化することで、閉形式で導出された。
• 数値結果は理論的分析を確認しており、IATFが信頼性およびエネルギー利用効率の観点で直接伝送を上回ることを示している。
• プロトコルにより、協調に移行する前にエネルギーを蓄積する確率が向上し、継続的なエネルギー供給がなくてもシステムの信頼性が向上する。
• マルコフ連鎖モデルはリレーノードのエネルギー動態を正確に捉えており、実用的なエネルギー制約下での正確な性能評価を可能にしている。
• 特に低SNR環境下ではエネルギー効率の重要性が高まるため、提案された方式は非協調伝送に比べてより優れたアウトージェ性能を達成している。