[논문 리뷰] Distributed Multi-Relay Selection in Accumulate-then-Forward Energy Harvesting Relay Networks

Y. T. Gu, He Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 31.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 39인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 누적-그런 다음-전달 에너지 수확 중계 네트워크를 위한 분산형 에너지 임계값 기반 다중 중계 선택(ETMRS) 기법을 제안한다. 여기서 중계기는 국소 배터리 상태 정보를 바탕으로 수확 또는 전달 중 하나를 결정한다. 유한 상태 마르코프 체인을 통해 배터리 동역학을 모델링함으로써, 저자들은 분석적 외상 확률 표현식을 유도하고, 복잡도를 크게 줄인 채 near-optimal 성능을 달성하는 히우리스틱 최적화 방법을 제안한다. 이는 기존의 단일 중계 및 일반 임계값 기반 기법보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

This paper investigates a wireless-powered cooperative network (WPCN) consisting of one source-destination pair and multiple decode-and-forward (DF) relays. We develop an energy threshold based multi-relay selection (ETMRS) scheme for the considered WPCN. The proposed ETMRS scheme can be implemented in a fully distributed manner as the relays only need local information to switch between energy harvesting and information forwarding modes. By modeling the charging/discharging behaviours of the finite-capacity battery at each relay as a finite-state Markov Chain (MC), we derive an analytical expression for the system outage probability of the proposed ETMRS scheme over mixed Nakagami-$m$ and Rayleigh fading channels. Based on the derived expression, the optimal energy thresholds for all the relays corresponding to the minimum system outage probability can be obtained via an exhaustive search. However, this approach becomes computationally prohibitive when the number of relays and the associated number of battery energy levels is large. To resolve this issue, we propose a heuristic approach to optimize the energy threshold for each relay. To gain some useful insights for practical relay design, we also derive the upper bound for system outage probability corresponding to the case that all relays are equipped with infinite-capacity batteries. Numerical results validate our theoretical analysis. It is shown that the proposed heuristic approach can achieve a near-optimal system performance and our ETMRS scheme outperforms the existing single-relay selection scheme and common energy threshold scheme.

연구 동기 및 목표

• 다수의 에너지 수확 중계기가 있는 무선 구동 협동 네트워크에서 에너지 제약이 있는 중계 선택 문제를 해결하기 위해.
• 중앙 집중식 조율 없이 국소 정보에만 의존하는 완전히 분산된 중계 선택 기법을 개발하기 위해.
• 각 중계기의 유한 용량 배터리 행동을 유한 상태 마르코프 체인으로 모델링하여 정확한 시스템 성능 평가를 가능하게 하기 위해.
• 혼합된 나카가미-m 및 레일리 페이딩 채널에서 시스템 외상 확률에 대한 분석적 표현식을 유도하기 위해.
• 외상 확률를 최소화하기 위해 에너지 임계값을 최적화하여 계산 복잡도와 성능 간의 균형을 이루기 위해.

제안 방법

• 각 중계기의 유한 용량 배터리의 충전 및 방전 행동을 유한 상태 마르코프 체인으로 모델링하여 정적 분포를 캡처하기 위해.
• 독립적이지만 반드시 동일하지 않은(i.n.i.d.) 나카가미-m 및 레일리 페이딩 채널에서 ETMRS 기법 하에서 시스템 외상 확률에 대한 근사 분석 표현식을 유도하기 위해.
• 전체 검색에 비해 계산 복잡도를 감소시키기 위해 개별 중계기의 에너지 임계값을 최적화하는 히우리스틱 접근법을 제안하기 위해.
• 특히 에너지 수준이 제한된 소규모 시스템에서 최적의 임계값 선택을 위한 기준으로 전수 검색을 사용하기 위해.
• 무한 용량 배터리를 가정하여 시스템 외상 확률의 상한선을 유도하여 실용적 설계를 위한 성능 한계를 제공하기 위해.
• 다양한 중계기 구성 및 시스템 파라미터 하에서 수치 시뮬레이션을 통해 분석 모델과 성능 주장의 타당성을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산 다중 중계 에너지 수확 네트워크에서 시스템 외상 확률는 중계기 수와 에너지 수확 효율성에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 중계기 위치는 최적의 에너지 임계값과 전체 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전체 검색에 비해 계산 복잡도를 크게 줄인 히우리스틱 임계값 최적화 방법은 near-optimal 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 ETMRS 기법은 외상 확률 측면에서 기존의 단일 중계 선택 및 공통 임계값 중계 선택 기법과 비교해 어떻게 성능이 뛰어나게 되는가?
• RQ5 모든 중계기에 동일한 임계값을 사용하는 것에 비해 각 중계기별 개별화된 에너지 임계값을 사용할 경우 성능 향상은 어느 정도 기대되는가?

주요 결과

• 제안된 히우리스틱 임계값 최적화 방법은 계산 복잡도를 크게 줄임과 동시에 near-optimal 시스템 성능을 달성하여, 많은 수의 중계기와 에너지 수준을 갖는 대규모 네트워크에 적합하다.
• 중계기 수가 증가할수록 최적의 에너지 임계값이 감소한다. 이는 더 많은 중계기가 존재할수록 동일한 외상 확률를 달성하기 위해 필요한 전송 전력이 각 중계기당 감소하기 때문이다.
• 중계기가 송신기에서 멀리 떨어져 있고 수신기 가까이 위치할수록 시스템 외상 확률가 최소가 되며, 이는 두 번째 홉 채널 품질 향상과 함께 필요한 에너지 임계값 감소로 이어진다.
• 모든 시뮬레이션 시나리오에서 제안된 ETMRS 기법은 단일 중계 선택 기법과 공통 에너지 임계값 기법을 모두 초월하며, 비균일한 중계기 구성에서 더 큰 성능 향상을 보였다.
• 전송 속도가 높아질수록 제안된 기법과 BARS 기법 간의 성능 격차가 커지며, 개별화된 임계값 적응의 이점이 뚜렷하게 드러난다.
• 수치 결과는 더 큰 배터리 용량이 더 높은 소스 전력, 더 짧은 제1호프 거리 또는 더 많은 중계기를 갖는 네트워크에서 유리하다는 것을 확인하였으며, 실용적 설계에 대한 통찰을 제공한다.