[논문 리뷰] Energy Harvesting Cooperative Networks: Is the Max-Min Criterion Still Diversity-Optimal?

Zhiguo Ding, H. Vincent Poor|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 03.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 22인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 에너지 수확 협업 네트워크에서의 사용자 스케줄링을 조사하며, 기존의 최대-최소 기준—기존 네트워크에서는 최적임—이 전체 다변화 이득을 달성하지 못함을 보여준다. 단일 스케줄링 사용자 쌍에 대해 최대-최소 기준이 M 대신 (M+1)/2의 다변화 이득을 달성함으로써, 에너지 수확 시스템에서 소스-릴레이 및 릴레이-대상 채널의 중요도가 비대칭적이기 때문이다. 이 논문은 에너지 수확 제약 조건을 고려한 새로운 스케줄링 전략을 제안하고 분석적 및 시뮬레이션 결과를 통해 이를 검증한다.

ABSTRACT

This paper considers a general energy harvesting cooperative network with M source-destination (SD) pairs and one relay, where the relay schedules only m user pairs for transmissions. For the special case of m = 1, the addressed scheduling problem is equivalent to relay selection for the scenario with one SD pair and M relays. In conventional cooperative networks, the max-min selection criterion has been recognized as a diversity-optimal strategy for relay selection and user scheduling. The main contribution of this paper is to show that the use of the max-min criterion will result in loss of diversity gains in energy harvesting cooperative networks. Particularly when only a single user is scheduled, analytical results are developed to demonstrate that the diversity gain achieved by the max-min criterion is only (M+1)/2, much less than the maximal diversity gain M. The max-min criterion suffers this diversity loss because it does not reflect the fact that the source-relay channels are more important than the relay-destination channels in energy harvesting networks. Motivated by this fact, a few user scheduling approaches tailored to energy harvesting networks are developed and their performance is analyzed. Simulation results are provided to demonstrate the accuracy of the developed analytical results and facilitate the performance comparison.

연구 동기 및 목표

• RF 신호로부터 에너지를 수확하는 릴레이를 갖는 에너지 수확 협업 네트워크에서 최대-최소 선택 기준의 성능을 분석하기 위해.
• 기존 협업 시스템에서는 최적임에도 불구하고 에너지 수확 네트워크에서는 왜 최대-최소 기준이 전체 다변화 이득을 달성하지 못하는지 규명하기 위해.
• 에너지 수확 환경에서 소스-릴레이 및 릴레이-대상 채널의 비대칭적 중요성을 반영한 새로운 사용자 스케줄링 전략을 개발하기 위해.
• 에너지 수확 제약 조건 하에서 최대-최소 기준의 정확한 및 점점 다가가는 비상태 확률 표현을 유도하기 위해.
• 최대-최소 기준의 다변화 이득을 이론적 최대치와 비교하고, 대안적 스케줄링 방식을 평가하기 위해.

제안 방법

• M개의 소스-대상 쌍과 하나의 릴레이로 구성된 일반적인 에너지 수확 협업 네트워크 모델을 수립하며, 릴레이는 m개의 쌍을 스케줄링하여 전송한다.
• m=1일 때 최대-최소 기준의 정확한 비상태 확률을 순서 통계와 비상태 사건의 철저한 그룹화를 통해 유도한다.
• 비상태 표현에 점점 다가가는 분석을 적용하여 신호 대 잡음비(SNR)가 증가함에 따라 지배적인 항목에 집중함으로써 다변화 이득을 결정한다.
• 작은 SNR에서 비상태 확률을 근사하기 위해 Bessel 함수를 포함한 적분 표현과 급수 전개를 사용한다.
• 소스-릴레이 채널 품질을 우선시하는 새로운 스케줄링 접근법을 도입하여, 이 채널이 릴레이 에너지와 신뢰성에 더 큰 영향을 미친다는 점을 반영한다.
• 분석 결과를 시뮬레이션을 통해 검증하며, 다양한 SNR 및 M 값에서 최대-최소 기준과 제안된 전략의 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 수확 협업 네트워크에서 최대-최소 선택 기준이 다변화 최적성 유지를 유지하는가?
• RQ2 에너지 수확 릴레이를 갖는 단일 사용자 스케줄링 시나리오에서 최대-최소 기준이 실제로 달성하는 다변화 이득은 얼마인가?
• RQ3 왜 최대-최소 기준이 에너지 수확 네트워크에서는 전체 다변화 이득을 달성하지 못하는가?
• RQ4 소스-릴레이 및 릴레이-대상 채널의 상대적 중요도가 에너지 수확 시스템의 스케줄링 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 에너지 수확 협업 네트워크에서 상실된 다변화 이득을 복구할 수 있는 새로운 스케줄링 전략을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 에너지 수확 협업 네트워크에서 최대-최소 기준은 최대 다변화 이득 M 대비 (M+1)/2의 다변화 이득을 달성함으로써, 상당히 낮은 성능을 보인다.
• 다변화 손실은 최대-최소 기준이 소스-릴레이 및 릴레이-대상 채널을 대칭적으로 취급함에도 불구하고, 에너지 수확 제약 조건으로 인해 소스-릴레이 채널이 더 중요하기 때문이다.
• 점점 다가가는 비상태 분석을 통해 지배적인 비상태 항목이 ε^M ln ε 비례로 스케일링됨을 확인하였으며, 이는 다변화 순서가 M임을 시사하지만, 최대-최소 기준은 하위 최적 선택으로 인해 (M+1)/2에 그친다.
• m=1일 때 정확한 비상태 확률은 순서 통계와 Bessel 함수를 포함한 복잡한 적분을 사용하여 유도되었으며, 이후 점점 다가가는 전개가 이루어졌다.
• 강한 소스-릴레이 링크를 우선시하는 제안된 스케줄링 전략은 다변화 이득 및 비상태 성능 측면에서 최대-최소 기준을 능가한다.
• 시뮬레이션 결과는 분석적 발견을 확인하였으며, 고신호 대 잡음비(SNR) 영역에서 최대-최소 기준은 에너지 인식 스케줄링 기법에 비해 성능이 열 劣하다.