[논문 리뷰] RF-based Energy Harvesting in Decode-and-Forward Relaying Systems: Ergodic and Outage Capacities

Yanju Gu, Sonia Aı̈ssa|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 11.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 34인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 정보 신호와 동일 대역 간섭 신호로부터 에너지를 수확하여 전송을 구동하는 디코딩 앤 포워딩 중계 시스템에서 RF 에너지 수확 기법을 제안한다. 시간 스위칭(TS) 및 전력 분할(PS) 프로토콜을 사용하여, 에르고딕 및 아웃리지 용량을 유도하며, 고신호대간섭비(SNR)에서는 PS가 TS를 능가하고, 저신호대간섭비에서는 TS가 더 우수하다. 용량 순서는 간섭 분포에 따라 달라지며, 동일한 전력 분포가 가장 열 劣하고, 단일 간섭자가 가장 우수하다.

ABSTRACT

Radio-frequency energy harvesting constitutes an effective way to prolong the lifetime of wireless networks, wean communication devices off the battery and power line, benefit the energy saving and lower the carbon footprint of wireless communications. In this paper, an interference aided energy harvesting scheme is proposed for cooperative relaying systems, where energy-constrained relays harvest energy from the received information signal and co-channel interference signals, and then use that harvested energy to forward the correctly decoded signal to the destination. The time-switching scheme (TS), in which the receiver switches between decoding information and harvesting energy, as well as the power-splitting scheme (PS), where a portion of the received power is used for energy harvesting and the remaining power is utilized for information processing, are adopted separately. Applying the proposed energy harvesting approach to a decode-and-forward relaying system with the three-terminal model, the analytical expressions of the ergodic capacity and the outage capacity are derived, and the corresponding achievable throughputs are determined. Comparative results are provided and show that PS is superior to TS at high signal-to-noise ratio (SNR) in terms of throughput, while at low SNR, TS outperforms PS. Furthermore, considering different interference power distributions with equal aggregate interference power at the relay, the corresponding system capacity relationship, i.e., the ordering of capacities, is obtained.

연구 동기 및 목표

• 무선 네트워크에서 중계기의 에너지 제약을 해결하기 위해, 정보 신호와 동일 대역 간섭 신호로부터 RF 에너지를 수확할 수 있도록 하는 것.
• 디코딩 앤 포워딩 중계 시스템에서 시간 스위칭(TS) 및 전력 분할(PS) 두 가지 에너지 수확 프로토콜의 성능을 평가하는 것.
• 이론적 표현을 도출하여 가용 시스템 스루풋을 결정하기 위해 에르고딕 및 아웃리지 용량을 유도하는 것.
• 총 간섭 전력이 일정할 때 간섭 전력 분포가 시스템 용량에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 다양한 신호대간섭비(SNR) 영역 및 간섭 시나리오에서 TS 및 PS 프로토콜의 스루풋 성능을 비교하는 것.

제안 방법

• 시스템은 중계기가 소스 신호와 동일 대역 간섭(CCI) 신호의 중첩으로부터 에너지를 수확하는 3노드 디코딩 앤 포워딩 중계 모델을 사용한다.
• 두 가지 에너지 수확 프로토콜을 분석한다: 시간 스위칭(TS)은 중계기가 시간에 따라 디코딩과 수확을 번갈아 수행하고, 전력 분할(PS)은 수신 신호 전력의 일부를 에너지 수확용으로 분할하고 나머지 부분을 정보 디코딩에 사용한다.
• 레이일리 fading 채널 조건 하에서 가용 스루풋을 정량화하기 위해 에르고딕 및 아웃리지 용량을 이론적으로 유도한다.
• 주요화 이론을 사용하여 간섭 전력 분포의 영향을 연구하며, 간섭 벡터를 슈르-볼록성 기반으로 순서화하여 용량 순서를 결정한다.
• 에르고딕 및 아웃리지 용량 제약 조건 하에서 스루풋을 최대화하기 위한 최적의 시간 및 전력 분할 비율을 유도한다.
• 시뮬레이션을 통해 다양한 신호대간섭비(SNR) 수준과 간섭 분포 조건에서 스루풋 성능을 비교하며, 이론적 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RF 에너지 수확 기반 디코딩 앤 포워딩 중계 시스템에서, 시간 스위칭(TS) 및 전력 분할(PS) 프로토콜의 가용 스루풋 성능은 어떻게 비교되는가?
• RQ2 총 간섭 전력이 일정할 때 간섭 전력 분포는 시스템 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 어떤 신호대간섭비(SNR) 조건에서 PS가 에르고딕 및 아웃리지 용량 측면에서 TS를 능가하는가?
• RQ4 다양한 간섭자가 존재할 때 간섭 신호가 균일하게 분포되는 것과 비균일하게 분포되는 것에 따라 시스템 용량은 어떻게 변하는가?
• RQ5 다양한 간섭 전력 분포 조건 하에서 시스템 용량의 순서는 어떻게 되며, 어떤 분포가 가장 우수하고 가장 열 劣한 성능을 낼 수 있는가?

주요 결과

• 고신호대간섭비(SNR)에서는 최적의 전력 분할 덕분에 신호대간섭비(SNR) 저하가 최소화되어 전력 분할(PS) 프로토콜이 시간 스위칭(TS)보다 더 높은 최적의 에르고딕 및 아웃리지 스루풋을 달성한다.
• 저신호대간섭비(SNR)에서는 PS가 신호 전력이 부족하여 신뢰할 만한 디코딩을 위해 충분하지 않기 때문에 심각한 디코딩 오류를 유발하므로, 시간 스위칭(TS) 프로토콜이 최적의 아웃리지 스루풋 측면에서 PS를 능가한다.
• 에르고딕 및 아웃리지 용량은 간섭 전력 분포 벡터에 대해 슈르-볼록 함수이며, 이는 간섭 전력이 균일하게 분포할수록 용량이 감소함을 의미한다.
• 가장 열 劣한 용량 성능은 중계기에서 모든 간섭 신호가 동일한 수신 전력을 가지는 경우에 발생하며, 가장 우수한 성능은 단일 간섭자만 존재할 때 달성된다.
• 총 간섭 전력이 일정할 때 시스템 용량은 간섭 에너지가 한 원천에 집중될 경우 최대가 되고, 다수의 간섭자에 균일하게 분포될 경우 최소가 된다.
• 에르고딕 및 아웃리지 용량에 대한 이론적 표현은 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 다양한 신호대간섭비(SNR) 및 간섭 구성 조건에서 이론적 유도와 강력한 일치를 보였다.