[論文レビュー] Wireless-powered relaying with finite block-length codes

Mahdi Haghifam, Behrooz Makki+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 13被引用数 17

ひとこと要約

本稿は、有限バイト長コードを用いた無線エネルギーおよび情報伝送を伴うアンプ・アンド・フォワードリレーアーキテクチャを分析し、時間スイッチングリレーリング（TSR）およびパワー・スプリッティングリレーリング（PSR）プロトコルにおけるアウトージ確率およびスループットのタイトな近似を提案する。主な発見は、与えられたデータレートに対して、スループットを最大化する最適な符号語長が存在することであり、TSRは一般にPSRよりも低いアウトージ確率を達成するが、最適なパワー・スプリッティング設定下ではPSRがより高いスループットを示すことである。

ABSTRACT

This paper studies the outage probability and the throughput of amplify-and-forward relay networks with wireless information and energy transfer. We use some recent results on finite block-length codes to analyze the system performance in the cases with short codewords. Specifically, the time switching relaying and the power splitting relaying protocols are considered for energy and information transfer. We derive tight approximations for the outage probability/throughput. Then, we analyze the outage probability in asymptotically high signal-to-noise ratios. Finally, we use numerical results to confirm the accuracy of our analysis and to evaluate the system performance in different scenarios. Our results indicate that, in delay-constrained scenarios, the codeword length affects the outage probability/throughput of the joint energy and information transfer systems considerably.

研究の動機と目的

• 短い符号語長制約下でシャノンの容量式を用いる場合のエネルギー効率リレーネットワークにおける性能ギャップを解消すること。
• 有限バイト長コードを用いたアンプ・アンド・フォワードリレーネットワークにおけるアウトージ確率およびスループットのモデル化と分析を行うこと。
• 有限バイト長条件下での時間スイッチングリレーリング（TSR）およびパワー・スプリッティングリレーリング（PSR）プロトコルの性能を比較すること。
• スループットを最大化し、アウトージ確率を最小化する最適なシステムパラメータ（符号語長、時間／パワー・スプリッティング係数など）を同定すること。
• 多数のSNRおよびバイト長領域における数値結果を通じて、解析的近似の妥当性を検証すること。

提案手法

• 短い符号語長における実現可能レートをモデル化するために、[9]で最近得られた有限バイト長容量近似を用いる。
• TSRおよびPSRプロトコル下でのアウトージ確率について、タイトな閉形式近似を導出する（補題2および補題3）。
• 高SNRにおける漸近的解析を適用し、SNRが増加する際のアウトージ行動を特徴づけ、log(SNR)/SNRに比例して線形に減少することを示す。
• 符号語長、SNR、およびエネルギー分割係数（PSRではα、TSRではθ）を変数とするシステムスループットを関数として定式化する。
• 多数のシナリオ（変化するSNR、バイト長、分割係数）における数値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。
• 有限長性能と漸近的長符号語長結果を比較する分析を拡張し、高SNR領域で両者に高い一致が得られることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限バイト長が、無線駆動アンプ・アンド・フォワードリレーネットワークにおけるアウトージ確率およびスループットにどのように影響するか？
• RQ2 与えられた情報レート（nats単位）に対して、システムスループットを最大化する最適な符号語長は何か？
• RQ3 有限バイト長条件下で、時間スイッチング（TSR）およびパワー・スプリッティング（PSR）プロトコルのアウトージ確率およびスループットは、どのように比較できるか？
• RQ4 アウトージ確率の高SNRにおける挙動は何か？SNRおよびバイト長とどのようにスケーリングするか？
• RQ5 パワー・スプリッティング係数（α）および時間スイッチング係数（θ）は、システム性能にどのように影響し、それぞれの最適値は何か？

主な発見

• 固定された情報nats数（K）に対して、システムスループットを最大化する有限符号語長Lが存在し、これはコードレートと復調信頼性のトレードオフを示している。
• 高SNR領域において、アウトージ確率はlog(SNR)/SNRに比例して線形に減少し、有限バイト長下での予測可能なスケーリング行動が確認された。
• 時間スイッチングリレーリング（TSR）は、広範なシステムパrameter範囲において、パワー・スプリッティングリレーリング（PSR）よりも低いアウトージ確率を達成する。
• パワー・スプリッティングリレーリング（PSR）は、最適なパワー・スプリッティング係数αを選択した場合、スペクトル効率の高いエネルギーと情報の分割により、スループットでTSRを上回る。
• 補題3の解析的近似は、L ≥ 200の範囲で数値結果とタイトに一致するが、低エネルギー効率領域では補題2の近似はやや緩い。
• 高SNR領域では、有限バイト長によるスループットの劣化は無視できるほど小さく、長符号語長性能に近い性能が有限長コードでも達成可能であることが示された。