[논문 리뷰] Power Splitting for Full-Duplex Relay with Wireless Information and Power Transfer

Hongwu Liu, Kyeong Jin Kim외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 18.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 20인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 무선 신호에서 에너지를 수확하여 동시에 정보 전송과 에너지 전송을 지원하는 완전 이중성 중계기를 위한 동적 전력 분할 기법을 제안한다. 채널 상태 정보(CSI)를 전면 또는 부분적으로 이용하여 전력 분할 비율을 최적화함으로써, 외부 간섭이 강하고 에너지가 제한된 환경에서 외상 확률을 최소화한다. 특히 중계기가 수신기 근처에 위치할 경우, 부분적 CSI 기반 접근 방식이 피드백 오버헤드를 줄이며 거의 최적의 성능를 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates power splitting for full-duplex relay networks with wireless information and energy transfer. By applying power splitting as a relay transceiver architecture, the full duplex information relaying can be powered by energy harvested from the source-emitted radio frequency signal. In order to minimize outage probability, power splitting ratios have been dynamically optimized according to full channel state information (CSI) and partial CSI, respectively. Under strong loop interference, the proposed full CSI-based and partial CSI-based power splitting schemes achieve the better outage performance than the fixed power splitting scheme, whereas the partial CSI-based power splitting scheme can ensure competitive outage performance without requiring CSI of the second-hop link. It is also observed that the worst outage performance is achieved when the relay is located midway between the source and destination, whereas the outage performance of partial CSI-based power splitting scheme approaches that of full CSI-based scheme when the relay is placed close to the destination.

연구 동기 및 목표

• 무선 네트워크에서 에너지가 제한된 완전 이중성 중계기의 과제를 해결하기 위해 무선 주파수 신호를 통해 동시에 정보와 에너지를 전송할 수 있도록 하는 것.
• 강한 루프 간섭과 제한된 에너지 공급으로 인해 성능이 떨어지는 완전 이중성 중계 네트워크에서 외상 확률을 최소화하는 것.
• 전체 또는 부분 CSI를 사용하여 채널 조건에 동적으로 적응하는 전력 분할 기법을 설계하여 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키는 것.
• 피드백 오버헤드와 외상 성능 간의 성능 트레이드오프를 평가하며, 특히 CSI 지식이 제한된 상황에서의 성능을 분석하는 것.
• 다양한 간섭 및 신호 대 잡음비(SNR) 조건 하에서 외상 확률을 최소화하는 최적의 중계기 위치와 전력 분할 비율을 규명하는 것.

제안 방법

• 완전 이중성 중계기에 전력 분할(PS) 아키텍처를 적용하여 수신된 RF 신호를 정보 수신 및 에너지 수확 흐름으로 나누며, 전력 분할 비율 ρ를 사용한다.
• 수확된 에너지를 사용해 신호를 증폭하고 재전송하는 앰플리파이-앤드-포워드(AF) 노드로 중계기를 모델링하며, 잔여 루프 간섭은 루프 채널 f에 대한 함수로 모델링한다.
• 에너지 변환 효율 η를 사용하여 전력 분할 비율 ρ, 소스 전력, 경로 손실 및 채널 이득의 함수로 수확된 에너지를 유도한다.
• 전체 CSI(h, g, f를 모두 알고 있는 경우) 또는 부분적 CSI(h 및 f만 알고 있는 경우)를 사용하여 외상 확률을 최소화하기 위해 전력 분할 비율 ρ를 최적화한다.
• 고신호 간섭 대 잡음비(SINR) 근사를 사용하여 동적 전력 분할 조건 하에서 효과적 신호 대 간섭 더하기 잡음비(e-SINR)를 유도한다.
• RTS/CTS 기반 채널 추정 프로토콜을 사용하여 중계기에서 CSI 확보를 가능하게 하여 동적 적응을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 루프 간섭 조건에서 전체 CSI 기반 동적 전력 분할은 고정된 전력 분할 비율(ρ = 0.7, 0.5, 0.3)에 비해 외상 성능에서 어떻게 다를까?
• RQ2 부분적 CSI 기반 전력 분할 기법이 피드백 오버헤드를 줄이며 거의 최적의 외상 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ3 중계기 위치는 외상 확률에 어떤 영향을 미치며, 전체 및 부분적 CSI 기반 기법 간의 성능 격차는 중계기 위치에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 루프 간섭과 소스 신호 대 잡음비(SNR)는 동적 전력 분할 대 고정 전력 분할의 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 부분적 CSI 기반 기법이 전체 CSI 기반 기법을 초월하거나 근접하는 조건는 무엇인가?

주요 결과

• 외상 확률 10⁻¹일 때, 전체 CSI 기반 전력 분할 기법은 고정 ρ = 0.7, 0.5, 0.3에 비해 각각 약 5.5 dB, 4.5 dB, 3.5 dB의 INR 이득을 기록한다.
• 부분적 CSI 기반 기법은 전체 CSI 기반 기법과 매우 유사한 외상 성능를 보이며, 특히 중계기가 수신기 근처에 위치할 경우 성능 격차가 1 dB 미만으로 줄어든다.
• 외상 성능가 가장 열 劣한 경우는 중계기가 송신기와 수신기 사이 중앙에 위치할 때이며, 이는 경로 손실과 간섭이 균형을 이루기 때문이다.
• 외상 확률 10⁻²일 때, 전체 CSI 기반 기법은 고정 ρ = 0.7에 비해 4.5 dB, ρ = 0.5에 비해 3 dB, ρ = 0.3에 비해 1.8 dB의 SNR 이득을 기록한다.
• 중계기가 수신기 근처에 위치할 경우, 부분적 CSI 기반 기법이 약간 더 뛰어난 성능를 보이며, 이는 루프 간섭과 수확된 에너지가 e-SINR를 결정하는 데 지배적이기 때문이다.
• 부분적 CSI 기반 기법은 전체 CSI 기반 기법보다 훨씬 낮은 피드백 오버헤드를 유발하므로, 제한된 CSI 피드백이 가능한 실시간 시스템에 더 실용적이다.