[論文レビュー] On Wireless Energy and Information Transfer in Relay Networks

Mahdi Haghifam, Behrooz Makki+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、中継ノードが送信元のRF信号からエネルギーを回収するリレーネットワークにおける最適化された無線エネルギーおよび情報伝送方式を提案する。エネルギー制約下での最適な時間割り当ておよびパワー割り当ての閉形式式を導出し、停電確率を最小化した。また、完全なCSIを備えたオポチュニスティックリレーリングが、N個の中継ノードを用いる場合に (N+1)/2 のダイバーシティ次数を達成することを示した。

ABSTRACT

This paper investigates the outage probability and the throughput of relay networks with wireless information and energy transfer where the relays harvest energy from the transmitted radio-frequency signal of the source. Considering different power consumption models, we derive the outage probability for both adaptive and non-adaptive power allocations at the relay. With a total energy consumption constraint at the source, we provide closed-form expressions for the optimal time sharing and power allocation between the source energy and information transfer signals as well as the optimal relay positioning such that the outage probability is minimized. Finally, we extend our analysis to multi-relay networks. We show that with perfect channel state information (CSI) available at the relays and $N$ relays the opportunistic relaying scheme achieves diversity order of $\frac{N+1}{2}$. Also, we analyze the opportunistic relaying with partial CSI where either the source-relay or the relay-destination CSI is provided at its corresponding transmit terminal, and prove that the relay selection based on the source-relay CSI outperforms the relay selection based on the relay-destination CSI, in terms of outage probability. The analytical and simulation results demonstrate the efficiency of wireless energy and information transfer systems in different conditions.

研究の動機と目的

• RF信号からエネルギーを回収するリレーネットワークにおける停電確率およびスループットの分析。
• 全エネルギー消費制約下での送信元におけるエネルギー伝送と情報伝送のトレードオフの取り扱い。
• 停電確率を最小化するための最適な時間共有、パワー割り当ておよび中継ノードの配置の特定。
• 完全なおよび部分的なチャネル状態情報（CSI）下でのオポチュニスティックリレーリングを想定した、マルチリレーネットワークへの分析の拡張。

提案手法

• 中継ノードにおける適応的および非適応的パワー割り当ての下での停電確率について、閉形式式を導出する。
• 時間共有とエネルギー信号および情報信号間のパワー割り当てを同時に最適化するため、送信元の全エネルギー消費を制約としてモデル化する。
• エネルギー回収制約下での停電確率を最小化するために、中継ノードの配置を最適化変数として用いる。
• 完全なCSIを備えたオポチュニスティックリレーリングを用いたマルチリレーネットワークの分析を行い、(N+1)/2 のダイバーシティ次数を導出する。
• 部分的なCSI下で、送信元-中継ノードCSIに基づくリレーセレクションと中継ノード-受信ノードCSIに基づくリレーセレクションを比較し、停電確率を性能指標として用いる。
• 解析的導出とシミュレーションを用いて、提案手法の効率性をさまざまなネットワーク状態で検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全エネルギー消費制約下で、停電確率を最小化するための送信元におけるエネルギー伝送と情報伝送の最適な時間割り当ておよびパワー割り当ては何か？
• RQ2 中継ノードの配置は、エネルギー回収型リレーネットワークにおける停電性能にどのように影響するか？
• RQ3 完全なCSIが中継ノードに存在する場合、N個の中継ノードを用いたオポチュニスティックリレーリングが達成するダイバーシティ次数は何か？
• RQ4 部分的なCSI下で、送信元-中継ノードCSIに基づくリレーセレクションと中継ノード-受信ノードCSIに基づくリレーセレクションのうち、どちらがより低い停電確率を達成するか？

主な発見

• エネルギー制約下での停電確率を最小化するための、送信元におけるエネルギー信号および情報信号間の最適な時間共有およびパワー割り当ての閉形式式が導出された。
• 最適な中継ノードの配置が、停電確率を顕著に低減することが示され、性能向上はチャネル状態およびエネルギー回収効率に依存する。
• 完全なCSIが利用可能な場合、オポチュニスティックリレーリングはN個の中継ノードを用いて (N+1)/2 のダイバーシティ次数を達成し、中継ノード数の増加に伴い信頼性が向上することが示された。
• 部分的なCSI下では、送信元-中継ノードチャネル状態情報に基づくリレーセレクションが、中継ノード-受信ノードCSIに基づくセレクションよりも停電確率の観点で優れていることが分かった。
• 解析的およびシミュレーション結果により、提案された無線エネルギーおよび情報伝送フレームワークが、さまざまなネットワーク構成において効率的かつロバストであることが確認された。