[論文レビュー] Power Splitting for Full-Duplex Relay with Wireless Information and Power Transfer

Hongwu Liu, Kyeong Jin Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、RF信号からのエネルギー効率を活用して同時情報・エネルギー伝送を実現するフルデュプレックスリレートランスミッターのための動的パワー分離方式を提案する。チャネル状態情報（CSI）をフルまたは部分的に用いてパワー分離比を最適化することで、アウトージェ確率を最小化する。部分CSIに基づく手法は、特にリレータが受信機に近い場合に、フィードバックオーバーヘッドを低減しながらほぼ最適な性能を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates power splitting for full-duplex relay networks with wireless information and energy transfer. By applying power splitting as a relay transceiver architecture, the full duplex information relaying can be powered by energy harvested from the source-emitted radio frequency signal. In order to minimize outage probability, power splitting ratios have been dynamically optimized according to full channel state information (CSI) and partial CSI, respectively. Under strong loop interference, the proposed full CSI-based and partial CSI-based power splitting schemes achieve the better outage performance than the fixed power splitting scheme, whereas the partial CSI-based power splitting scheme can ensure competitive outage performance without requiring CSI of the second-hop link. It is also observed that the worst outage performance is achieved when the relay is located midway between the source and destination, whereas the outage performance of partial CSI-based power splitting scheme approaches that of full CSI-based scheme when the relay is placed close to the destination.

研究の動機と目的

• 無線ネットワークにおけるエネルギー制限付きフルデュプレックスリレータの課題に対処し、RF信号を介して同時情報・エネルギー伝送を可能にする。
• 強いループ干渉と限られたエネルギー供給によって劣化するフルデュプレックスリレーネットワークにおけるアウトージェ確率を最小化する。
• フルまたは部分CSIを用いてチャネル状態に応じて動的に適応するパワー分離方式を設計し、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させる。
• フィードバックオーバーヘッドとアウトージェ性能のトレードオフを評価し、特にCSI知識が限られる状況での性能を検討する。
• さまざまな干渉およびSNR条件のもとでアウトージェ確率を最小化する最適なリレータ位置とパワー分離比を特定する。

提案手法

• フルデュプレックスリレータにパワー分離（PS）アーキテクチャを採用し、受信RF信号を情報受信とエネルギー回収の2つのストリームに、パワー分離比ρで分割する。
• リレータをアンプアンドフォワード（AF）ノードとしてモデル化し、回収したエネルギーを用いてソース信号を増幅・再送信する。残存ループ干渉は、ループチャネルfの関数としてモデル化する。
• エネルギー変換効率ηを用いて、パワー分離比ρ、送信電力、パスロス、チャネル利得の関数として回収エネルギーを導出する。
• フルCSI（h、g、fの知識）および部分CSI（hおよびfの知識のみ）を用いて、アウトージェ確率を最小化するようにパワー分離比ρを最適化する。
• 高SINR近似を用いて、動的PSにおける性能解析のための有効SINR（e-SINR）を導出する。
• RTS/CTSベースのチャネル推定プロトコルを採用し、リレータにおけるCSI取得を可能にし、動的適応を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いループ干渉下で、フルCSIに基づく動的パワー分離は、固定パワー分離（ρ = 0.7, 0.5, 0.3）と比較して、アウトージェ性能でどの程度優れるか？
• RQ2 部分CSIに基づくパワー分離方式は、フィードバックオーバーヘッドを低減しながら、ほぼ最適なアウトージェ性能を達成できるか？
• RQ3 リレータの位置がアウトージェ確率に与える影響は何か？ また、フルCSIと部分CSI方式の性能ギャップは、リレータの位置に応じてどのように変化するか？
• RQ4 ループ干渉とソースSNRが、動的分離と固定分離の性能向上に与える影響は何か？
• RQ5 どのような条件下で、部分CSI方式がフルCSI方式を上回るか、またはそれに近づくか？

主な発見

• 10⁻¹のアウトージェ確率において、フルCSIベースのパワー分離方式は、固定ρ = 0.7、0.5、0.3と比較して、それぞれ約5.5 dB、4.5 dB、3.5 dBのINRゲインを達成する。
• 部分CSIベースの方式は、フルCSI方式に非常に近いアウトージェ性能を達成し、特にリレータが受信機に近い場合に顕著である。高SNR状況では、性能ギャップが1 dB未満に抑えられる。
• リレータが送信機と受信機の真ん中に位置する場合にアウトージェ性能が最も悪化する。これは、パスロスと干渉がバランスを取っているためである。
• 10⁻²のアウトージェ確率において、フルCSIベースの方式は、固定ρ = 0.7に対して4.5 dB、ρ = 0.5に対して3 dB、ρ = 0.3に対して1.8 dBのSNRゲインを達成する。
• リレータが受信機に近い場合、部分CSIベースの方式がわずかにフルCSIベースの方式を上回る。これは、e-SINRを決定づける要因としてループ干渉と回収エネルギーが支配的になるためである。
• 部分CSIベースの方式は、フルCSIベースの方式と比較して顕著に低いフィードバックオーバーヘッドを発生させるため、制限付きCSIフィードバックを伴うリアルタイムシステムにおいてより実用的である。