[論文レビュー] Outage Probability of Energy Harvesting Relay-aided Cooperative Networks Over Rayleigh Fading Channel

Tao Li, Pingyi Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、レイノルズ状態のフェージングチャネル上におけるエネルギー効率化リレーヘルド協調ネットワークの停電性能を分析し、リレーにおけるエネルギー供給の可用性をオンオフ型エネルギー供給モデルでモデル化している。閉形式の停電確率式を導出し、ダイバーシティゲインが直接伝送のものを超えて増加しない（エネルギー枯渇が不可能な場合を除く）一方で、停電確率における顕著な乗法的性能向上が達成可能であることを示している。特にエネルギー枯渇確率が低い場合に顕著である。

ABSTRACT

Energy harvesting technique is a potential way for relay node energy supply in cooperative networks in terms of deployment flexibility and maintain charge reduction. Unlike traditional power source, relay node in this case may run out of energy with certain probability, which can degrade the benefit from relay-aided cooperative transmission. In this paper, we concentrate on the outage behavior of cooperative networks aided by energy harvesting relay node in slow fading channel, and attempt to derive the closed-form expression of outage probability of proposed cooperative protocol. Compared with traditional direct transmission protocol, two conclusions are derived: 1) the diversity gain cannot be increased excepting the extreme case that energy-exhausted probability is zero; 2) a multiplicative gain for improving system performance can be obtained in terms of minimizing outage probability.

研究の動機と目的

• 遅いレイノルズ状態フェージングチャネルにおけるエネルギー効率化リレーを用いた協調ネットワークの停電性能を評価すること。
• エネルギー収集の変動に起因するリレーにおけるエネルギー供給の確率的可用性をオンオフモデルを用いてモデル化すること。
• 従来の直接伝送および定常出力リレー系と比較して、エネルギー効率化リレー協調伝送の停電性能を評価すること。
• 停電確率における性能向上と時間／周波数使用量の増加との間のトレードオフを定量化すること。

提案手法

• リレーにおける収集エネルギーのランダムな可用性を表現するために、オンオフ型エネルギー供給モデルを用いる。
• システムは2つの時間スロットで動作する：最初は送信元からリレーへの伝送、2番目はリレーから受信先への再伝送。
• リレーにおけるエネルギー枯渇確率と信頼性通信のためのSNRしきい値を考慮して、停電確率を閉形式で導出する。
• 解析では遅いフェージング、すべてのノードにおける完全なチャネル状態情報、およびレイノルズ分布のチャネルゲインを仮定する。
• 導出された停電確率式は明示的にエネルギー枯渇確率 $p_{ex}$ に依存しており、これはエネルギー供給の信頼性を捉えている。
• 性能向上を評価するために、直接伝送および定常出力リレー系と理論的に比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リレーにおけるエネルギー収集は、直接伝送と比較して協調ネットワークの停電性能を向上させるか？
• RQ2 レイノルズ状態フェージングにおいて、エネルギー収集リレーは直接伝送を上回るダイバーシティゲインを達成できるか？
• RQ3 エネルギー枯渇確率 $p_{ex}$ は協調システムの停電確率にどのように影響するか？
• RQ4 エネルギー収集リレーを用いた場合の停電確率における性能向上の性質は何か？
• RQ5 時間／周波数使用量の増加を補っても、エネルギー収集リレーによる協調伝送の性能向上は十分か？

主な発見

• エネルギー収集リレー協調システムのダイバーシティゲインは1のままであり、直接伝送と同一であるが、$p_{ex} = 0$ の極端な場合を除いては、ダイバーシティゲインは2に上昇する。
• $p_{ex} = 0$ の場合、システムは定常出力の増幅・フォワード協調ネットワークと同様に動作し、ダイバーシティゲインが2に達する。
• ダイバーシティゲインの増加がないにもかかわらず、直接伝送と比較して停電確率における乗法的性能向上が達成され、$p_{ex}$ に比例する。
• 停電確率は $p_{ex} = 0.1$ の場合、実用的なSNR範囲で1桁の減少を示し、顕著な性能向上を示している。
• 性能向上は $p_{ex} \in [10^{-3}, 1]$ の範囲で顕著であり、良好に設計されたエネルギー収集システムが顕著な停電性能向上を達成できることを示している。
• 結果は、特にエネルギー貯蔵および収集設計を効果的に行うことで $p_{ex}$ を低く保てる場合、遅いフェージングチャネルにおいてエネルギー収集リレーの採用が実用的かつ利益をもたらすことを確認している。