[논문 리뷰] Incremental Accumulate-then-Forward Relaying in Wireless Energy Harvesting Cooperative Networks

Ziyi Li, He Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 01.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 무선 에너지 수확 협업 네트워크에서, 소스로부터 RF 에너지를 수확하는 디코딩 앤 포워딩 중계기가 필요할 때만 협업하도록 하는 증분 누적-포워딩(IATF) 릴레이 프로토콜을 제안한다. 중계기의 배터리를 유한 상태 마르코프 체인으로 모델링함으로써 저자들은 폐쇄형의 아웃지 전파 확률을 유도하고, IATF가 협업 없이 직접 전송하는 것보다 유의미하게 뛰어난 성능을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

This paper investigates a wireless energy harvesting cooperative network (WEHCN) consisting of a source, a decode-and-forward (DF) relay and a destination. We consider the relay as an energy harvesting (EH) node equipped with EH circuit and a rechargeable battery. Moreover, the direct link between source and destination is assumed to exist. The relay can thus harvest and accumulate energy from radio-frequency signals ejected by the source and assist its information transmission opportunistically. We develop an incremental accumulate-then-forward (IATF) relaying protocol for the considered WEHCN. In the IATF protocol, the source sends its information to destination via the direct link and requests the relay to cooperate only when it is necessary such that the relay has more chances to accumulate the harvested energy. By modeling the charging/discharging behaviors of the relay battery as a finite-state Markov chain, we derive a closed-form expression for the outage probability of the proposed IATF. Numerical results validate our theoretical analysis and show that the IATF scheme can significantly outperform the direct transmission scheme without cooperation.

연구 동기 및 목표

• 중계 노드에서 에너지 수확을 가능하게 하여 협업 중계 네트워크의 에너지 부족 문제를 해결하기 위해.
• 에너지 수확 무선 협업 네트워크(WEHCN)에서 중계 협업을 지능적으로 관리하여 아웃지 확률을 감소시키기 위해.
• 충분한 에너지가 축적되었을 때만 중계기가 기회적으로 협업할 수 있도록 프로토콜을 설계하기 위해.
• 중계기의 에너지 충전 및 방전 행동을 유한 상태 마르코프 체인으로 모델링하여 정확한 성능 분석을 가능하게 하기 위해.
• 제안된 프로토콜 하에서 아웃지 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 도출하기 위해.

제안 방법

• 중계기가 필요한 경우에만 협업하도록 하는 증분 누적-포워딩(IATF) 릴레이 프로토콜을 설계하며, 이는 수확한 에너지 수준에 기반한다.
• 중계기의 배터리 충전 및 방전 과정을 유한 상태 마르코프 체인으로 모델링하여 시간에 따른 에너지 동역학을 포착한다.
• 직접 링크와 중계 보조 링크의 공동 행동을 분석함으로써 IATF 프로토콜의 아웃지 확률을 수립한다.
• 마르코프 체인 모델과 시스템 수준의 전송 제약 조건을 사용하여 아웃지 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 아웃지 확률과 에너지 효율성 측면에서 직접 전송과의 비교를 통해 IATF의 성능을 평가한다.
• 수치 결과를 사용하여 이론적 분석을 검증하고, 비협업 전송 대비 IATF의 우수성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 제약을 고려하면서도 아웃지를 최소화할 수 있도록 에너지 수확 네트워크에서 중계 협업을 어떻게 스케줄링할 수 있는가?
• RQ2 에너지 축적과 배터리 동역학은 협업 중계의 아웃지 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 중계기가 에너지 수확 제약 조건 하에서 작동할 경우, 아웃지 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 도출할 수 있는가?
• RQ4 제안된 IATF 프로토콜은 직접 전송 대비 신뢰성과 에너지 효율성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 WEHCN에서 에너지 축적과 전송 신뢰성을 균형 잡는 최적의 협업 전략은 무엇인가?

주요 결과

• IATF 프로토콜은 중계기가 충분한 수확 에너지를 확보했을 때만 기회적인 협업을 허용함으로써, 직접 전송 대비 아웃지 확률을 유의미하게 감소시킨다.
• IATF 방식의 아웃지 확률은 중계기 배터리의 충전 및 방전 행동을 유한 상태 마르코프 체인으로 모델링하여 폐쇄형으로 도출되었다.
• 수치 결과는 이론적 분석을 확인하였으며, IATF가 신뢰성과 에너지 활용 측면에서 직접 전송보다 뛰어남을 보여준다.
• 프로토콜은 중계기가 협업하기 전에 에너지를 충분히 축적할 수 있는 기회를 증가시켜, 지속적인 에너지 가용성이 요구되지 않더라도 시스템 신뢰성을 향상시킨다.
• 마르코프 체인 모델은 중계기의 에너지 동역학을 정확하게 포착하여 실질적인 에너지 제약 조건 하에서도 정밀한 성능 평가를 가능하게 한다.
• 특히 에너지 수확이 핵심이 되는 저SNR 영역에서, 비협업 전송 대비 제안된 방식이 더 나은 아웃지 성능을 달성한다.