[論文レビュー] Unified Analysis of SWIPT Relay Networks with Noncoherent Modulation

Lina Mohjazi, Sami Muhaidat+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、瞬時チャネル状態情報（CSI）の必要性を排除する非coherent変調を用いた二ホップSWIPTリレーネットワークの統一的解析フレームワークを提案する。エネルギー効率的な運用を可能にする。時間スイッチング（TS）およびパワー分離（PS）プロトコル下での、アウトージェ確率、スループット、およびシンボル誤り率（SER）の正確な式を導出。主な結果として、高SNR領域における達成可能な分岐次数およびタイトな漸近的性能境界を示す。

ABSTRACT

Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) relay networks represent a paradigm shift in the development of wireless networks, enabling simultaneous radio frequency (RF) energy harvesting (EH) and information processing. Different from conventional SWIPT relaying schemes, which typically assume the availability of perfect channel state information (CSI), here we consider the application of noncoherent modulation in order to avoid the need of instantaneous CSI estimation/tracking and minimise the energy consumption. We propose a unified and comprehensive analytical framework for the analysis of time switching (TS) and power splitting (PS) receiver architectures with the amplify-and-forward (AF) protocol. In particular, we adopt a moments-based approach to derive novel expressions for the outage probability, achievable throughput, and average symbol error rate (ASER) of the considered SWIPT system. We quantify the impact of several system parameters, involving relay location, energy conversion efficiency, and TS and PS ratio assumptions, imposed on the EH relay terminal. Our results reveal that the throughput performance of the TS protocol is superior to that of the PS protocol at lower receive signal-to-noise (SNR) values, which is in contrast to the point-to-point SWIPT systems. An extensive Monte Carlo simulation study is presented to corroborate the proposed analysis.

研究の動機と目的

• 従来のSWIPTリレーシステムにおけるCSI推定に起因する高エネルギー消費およびシグナリングオーバーヘッドを解消する。
• エネルギー制限されたリレーノードにおけるcoherent変調の実用的制限を克服するため、非coherent変調を採用する。
• amplify-and-forward（AF）リレーネットワークにおける、時間スイッチング（TS）およびパワー分離（PS）受信機アーキテクチャを統一的に解析するフレームワークを提供する。
• 非coherentSWIPTリレーシステムの性能限界を、主要指標の正確および漸近的式を通じて定量化する。
• エネルギー効率およびパワー分離比がシステム性能に与える影響を分析する。

提案手法

• 非coherentSWIPTリレーシステムにおけるエンドツーエンドの信号対雑音比（SNR）の統計的式を導出するため、モーメントに基づくアプローチを採用する。
• エンドツーエンドのSNRを、送信元-リレーチャネル利得およびリレー-受信機チャネル利得の関数としてモデル化し、エネルギー効率の制約を組み込む。
• Meijer G関数表現を用いて、エンドツーエンドSNRのn次のモーメントを閉形式で表現し、正確な性能評価を可能にする。
• モーメント生成関数技術を用いて、アウトージェ確率、達成可能なスループット、および平均シンボル誤り率（ASER）の正確な式を導出する。
• 高SNR領域におけるアウトージェ確率およびASERの漸近的式を導出し、分岐利得を分析する。
• 多数のシステムパラメータを用いた広範なモンテカルロシミュレーションを通じて、解析結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間スイッチングおよびパワー分離プロトコル下で、非coherentSWIPTAFリレーシステムの正確なアウトージェ確率は何か？
• RQ2 非coherentSWIPTリレーシステムにおける平均シンボル誤り率（ASER）はSNRに対してどのように変化するか？
• RQ3 このシステムの達成可能な分岐次数は何か？また、エネルギー効率およびパワー分離比といったシステムパラメータにどのように依存するか？
• RQ4 高SNR領域におけるアウトージェ確率およびASERの漸近的式はどの程度の精度で成立するか？
• RQ5 エネルギー変換効率およびTS/PS比が全体のシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• 本稿は、TSおよびPSプロトコルの両方に対して、モーメントに基づくアプローチを用いて、アウトージェ確率、スループット、およびASERの正確な閉形式式を導出する。
• 漸近的アウトージェ確率およびASERの式が導出され、高SNR領域でタイトであることが示され、高出力レベルでの性能予測が可能となる。
• 達成可能な分岐次数が解析的に評価され、システムのエネルギー効率およびパワー分離比に依存することが示された。
• 提案フレームワークは、非coherent変調がCSI推定を必要とせず、エネルギー消費を顕著に削減する一方で、ほぼ最適な性能を達成できることを示している。
• シミュレーション結果は、解析式がさまざまなSNRおよびシステムパラメータ設定において正確に一致することを確認している。
• 解析により、システム性能がエネルギー効率およびTSまたはPS比の選択に敏感であることが判明し、スループットと信頼性の間の最適なトレードオフが存在することが明らかになった。