[논문 리뷰] Unified Analysis of SWIPT Relay Networks with Noncoherent Modulation

Lina Mohjazi, Sami Muhaidat외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 13.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 순간 채널 상태 정보(CSI)가 필요 없도록 비협응 변조를 사용한 이중호프 SWIPT 리레이트 네트워크를 위한 통합 분석 프레임워크를 제안한다. 이는 에너지 효율적인 운영을 가능하게 한다. 시간 스위칭(TS) 및 파wr 스플리팅(PS) 프로토콜 하에서 완전한 표현식을 유도하여 외상 확률, Throughput 및 심볼 오류율(SER)을 도출하였으며, 주요 결과로는 고신호대노이즈비(SNR) 영역에서 실현 가능한 다양도 차수와 날카운 고정점 성능 한계를 제시한다.

ABSTRACT

Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) relay networks represent a paradigm shift in the development of wireless networks, enabling simultaneous radio frequency (RF) energy harvesting (EH) and information processing. Different from conventional SWIPT relaying schemes, which typically assume the availability of perfect channel state information (CSI), here we consider the application of noncoherent modulation in order to avoid the need of instantaneous CSI estimation/tracking and minimise the energy consumption. We propose a unified and comprehensive analytical framework for the analysis of time switching (TS) and power splitting (PS) receiver architectures with the amplify-and-forward (AF) protocol. In particular, we adopt a moments-based approach to derive novel expressions for the outage probability, achievable throughput, and average symbol error rate (ASER) of the considered SWIPT system. We quantify the impact of several system parameters, involving relay location, energy conversion efficiency, and TS and PS ratio assumptions, imposed on the EH relay terminal. Our results reveal that the throughput performance of the TS protocol is superior to that of the PS protocol at lower receive signal-to-noise (SNR) values, which is in contrast to the point-to-point SWIPT systems. An extensive Monte Carlo simulation study is presented to corroborate the proposed analysis.

연구 동기 및 목표

• 기존의 SWIPT 리레이트 시스템에서 CSI 추정으로 인한 높은 에너지 소비와 신호 처리 오버헤드를 해결하기 위해.
• 에너지 제약이 있는 리레이트 노드에서 협응 변조의 실용적 한계를 극복하기 위해 비협응 변조를 채택하기 위해.
• 증폭-전달(AF) 리레이트 네트워크에서 시간 스위칭(TS) 및 파워 스플리팅(PS) 수신기 아키텍처를 모두 다룰 수 있는 통합 분석 프레임워크를 제공하기 위해.
• 핵심 지표에 대한 정확한 표현식과 점 渐진 표현식을 통해 비협응 SWIPT 리레이트의 성능 한계를 정량화하기 위해.
• 에너지 수확 효율성 및 파워 스플리팅 비율이 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 비협응 SWIPT 리레이트 시스템에서의 종단간 신호대노이즈비(SNR)의 통계적 표현식을 유도하기 위해 모멘트 기반 접근법을 채택한다.
• 에너지 수확 제약 조건을 포함하여 종단간 SNR를 송신기-리레이트 및 리레이트-수신기 채널 이득의 함수로 모델링한다.
• Meijer G-함수 표현식을 사용하여 종단간 SNR의 n차 모멘트를 닫힌 형태로 표현함으로써 정확한 성능 평가를 가능하게 한다.
• 모멘트 생성 함수 기법을 사용하여 외상 확률, 실현 가능한 Throughput 및 평균 심볼 오류율(ASER)의 정확한 표현식을 도출한다.
• 고신호대노이즈비(SNR) 영역에서 외상 확률 및 ASER에 대한 점 渐진 표현식을 도출하여 다양도 이득을 분석한다.
• 다양한 시스템 파rameter를 대상으로 광범위한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 스위칭 및 파워 스플리팅 프로토콜 하에서 비협응 SWIPT AF 리레이트 시스템의 정확한 외상 확률은 무엇인가?
• RQ2 비협응 SWIPT 리레이트 네트워크에서 평균 심볼 오류율(ASER)은 SNR에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 시스템의 실현 가능한 다양도 차수는 무엇이며, 에너지 수확 효율성 및 파워 스플리팅 비율과 같은 시스템 파rameter에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 고신호대노이즈비(SNR) 영역에서 외상 확률 및 ASER에 대한 점 渐진 표현식의 정확도는 어느 정도인가?
• RQ5 에너지 변환 효율성 및 TS/PS 비율은 전체 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 논문은 모멘트 기반 접근법을 통해 TS 및 PS 프로토콜 모두에 대해 외상 확률, Throughput 및 ASER의 정확한 닫힌 형태의 표현식을 도출하였다.
• 점 渐진 외상 확률 및 ASER 표현식을 도출하였으며, 고신호대노이즈비(SNR) 영역에서 매우 날카운 성능 예측이 가능하다고 입증하였다.
• 실현 가능한 다양도 차수를 분석적으로 정량화하였으며, 이는 시스템의 에너지 수확 효율성 및 파워 스플리팅 비율에 따라 달라짐을 보였다.
• 제안된 프레임워크는 비협응 변조가 CSI 추정이 필요 없이도 거의 최적의 성능을 달성할 수 있음을 보여주며, 에너지 소비를 크게 감소시킨다.
• 시뮬레이션 결과는 다양한 SNR 및 시스템 파rameter 설정에서 분석 표현식의 정확성을 확인하였다.
• 분석 결과는 시스템 성능가 에너지 수확 효율성 및 TS 또는 PS 비율의 선택에 민감하며, Throughput와 신뢰성 사이에 최적의 트레이드오프가 존재함을 밝혀냈다.