[논문 리뷰] Outage Probability of Energy Harvesting Relay-aided Cooperative Networks Over Rayleigh Fading Channel

Tao Li, Pingyi Fan외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 31.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 레이일라이 페이딩 채널에서 에너지 수확을 이용한 리피터 보조 협업 네트워크의 장애 성능을 분석하며, 리피터에서의 에너지 가용성을 온오프 에너지 공급 모델로 모델링한다. 닫힌 형태의 장애 확률 식을 유도하고, 다각도적 성능 향상은 직접 전송의 것보다 증가하지 않지만(에너지 고갈이 불가능한 경우를 제외하고는), 에너지 고갈 확률이 낮을 경우에 특히 뚜렷한 곱셈 성능 향상이 달성될 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Energy harvesting technique is a potential way for relay node energy supply in cooperative networks in terms of deployment flexibility and maintain charge reduction. Unlike traditional power source, relay node in this case may run out of energy with certain probability, which can degrade the benefit from relay-aided cooperative transmission. In this paper, we concentrate on the outage behavior of cooperative networks aided by energy harvesting relay node in slow fading channel, and attempt to derive the closed-form expression of outage probability of proposed cooperative protocol. Compared with traditional direct transmission protocol, two conclusions are derived: 1) the diversity gain cannot be increased excepting the extreme case that energy-exhausted probability is zero; 2) a multiplicative gain for improving system performance can be obtained in terms of minimizing outage probability.

연구 동기 및 목표

• 느린 레이일라이 페이딩 채널에서 에너지 수확 리피터를 사용한 협업 네트워크의 장애 성능을 평가하기 위해.
• 에너지 수확 변동으로 인한 리피터에서의 확률적 에너지 가용성을 온오프 모델을 사용해 모델링하기 위해.
• 기존의 직접 전송 및 일정 전력 리피터 시스템과 비교하여 에너지 수확 리피터 보조 협업의 장애 성능을 평가하기 위해.
• 시간/주파수 사용 증가와 장애 확률 성능 향상 사이의 트레이드오프를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 리피터 노드에서 수확된 에너지의 무작위 가용성을 나타내기 위해 온오프 에너지 공급 모델을 사용한다.
• 시스템은 두 개의 시간 슬롯으로 운영되며, 첫 번째 슬롯은 소스에서 리피터로의 전송, 두 번째 슬롯은 리피터에서 목적지로의 재전송이다.
• 신뢰할 수 있는 통신을 위한 신호대임계비(SNR) 임계값과 리피터에서의 에너지 고갈 확률을 고려하여 닫힌 형태의 장애 확률을 유도한다.
• 분석은 느린 페이딩, 모든 노드에서의 완벽한 채널 상태 정보, 레이일라이 분포를 따르는 채널 이득을 가정한다.
• 유도된 장애 확률 식은 에너지 고갈 확률 $p_{ex}$에 명시적으로 의존하며, 이는 에너지 공급의 신뢰성도 반영한다.
• 성능 향상을 평가하기 위해 직접 전송 및 일정 전력 리피터 시스템과 이론적 비교를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리피터에서의 에너지 수확은 직접 전송 대비 협업 네트워크의 장애 성능을 향상시키는가?
• RQ2 레이일라이 페이딩 환경에서 에너지 수확 리피터는 직접 전송의 것보다 더 높은 다양도 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ3 에너지 고갈 확률 $p_{ex}$는 협업 시스템의 장애 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 에너지 수확 리피터를 사용할 경우 장애 확률 성능 향상의 본질은 무엇인가?
• RQ5 에너지 수확 리피터를 사용한 협업 전송에서의 성능 향상은 시간/주파수 사용 증가를 상쇄할 수 있는가?

주요 결과

• 에너지 수확 리피터 보조 시스템의 다양도 성능은 직접 전송과 동일하게 1을 유지하며, $p_{ex} = 0$ 인 극단적인 경우를 제외하고는 변화가 없다. $p_{ex} = 0$ 일 경우 다양도 성능은 2로 증가한다.
• 에너지 고갈 확률 $p_{ex} = 0$ 일 경우, 시스템은 일정 전력으로 작동하는 전통적인 앰플리파이 앤 포워드 협업 네트워크와 유사하게 행동하며 다양도 성능이 2에 도달한다.
• 다양도 성능 향상 없이도 직접 전송 대비 장애 확률에서 곱셈 성능 향상이 달성되며, 이는 $p_{ex}$ 비례한다.
• 에너지 고갈 확률 $p_{ex} = 0.1$ 일 경우, 실용적인 신호대임계비 범위에서 장애 확률이 한 계단 낮아질 수 있으며, 이는 뚜렷한 성능 향상을 보여준다.
• 에너지 고갈 확률 $p_{ex} \in [10^{-3}, 1]$ 범위에서 성능 향상이 가장 두드러지며, 이는 잘 설계된 에너지 수확 시스템이 상당한 장애 성능 향상을 달성할 수 있음을 시사한다.
• 결과는 느린 페이딩 채널에서 에너지 수확 리피터를 도입하는 것이 실현 가능하고 이윤을 얻을 수 있음을 확인하며, 특히 에너지 저장 및 수확 설계를 통해 $p_{ex}$ 를 낮게 유지할 경우 더욱 그렇다.