[논문 리뷰] Wireless Information and Power Transfer in Cooperative Networks with Spatially Random Relays

Zhiguo Ding, Ioannis Krikidis외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 24.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 15인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 스토하스틱 기하학을 사용하여 공간적으로 랜덤한 리레이를 갖는 협업 네트워크에서 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 조사한다. 단일 소스 시나리오에 대해 세 가지 리레이 선택 전략을 제안하고, 다수의 소스 간 리레이 할당을 코operative 형성 게임으로 모델링한다. 주요 발견은 에너지 수확 리레이가 전통적인 리레이와 동일한 다변화 이득을 달성하지만, 에너지 수확 제약으로 인해 더 높은 아웃리지 확률을 보인다는 것이다.

ABSTRACT

In this paper, the application of wireless information and power transfer to cooperative networks is investigated, where the relays in the network are randomly located and based on the decode-forward strategy. For the scenario with one source-destination pair, three different strategies for using the available relays are studied, and their impact on the outage probability and diversity gain is characterized by applying stochastic geometry. By using the assumptions that the path loss exponent is two and that the relay-destination distances are much larger than the source-relay distances, closed form analytical results can be developed to demonstrate that the use of energy harvesting relays can achieve the same diversity gain as the case with conventional self-powered relays. For the scenario with multiple sources, the relays can be viewed as a type of scarce resource, where the sources compete with each other to get help from the relays. Such a competition is modeled as a coalition formation game, and two distributed game theoretic algorithms are developed based on different payoff functions. Simulation results are provided to confirm the accuracy of the developed analytical results and facilitate a better performance comparison.

연구 동기 및 목표

• 공간적으로 랜덤한 리레이 위치가 SWIPT 기반 협업 네트워크에서 아웃리지 확률과 다변화 이득에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 에너지 수확 제약 하에서 단일 소스-수신자 쌍에 대해 세 가지 리레이 선택 전략을 개발하고 비교하기 위해.
• 다수의 소스 간 제한된 에너지 수확 리레이 경쟁을 코operative 형성 게임을 통해 모델링하고 해결하기 위해.
• 에너지 수확 제약 하에서 리레이 할당 시 시스템 오버헤드와 성능 간의 트레이드오프를 평가하기 위해.

제안 방법

• 리레이 위치의 공간 랜덤성을 모델링하고 채널 밀도 함수를 유도하기 위해 스토하스틱 기하학을 사용한다.
• 리레이에서 정보 복원 및 에너지 수확을 수행하는 디코딩-앤퍼포트 프로토콜을 적용하며, 경로 손실 지수는 2로 가정하고 리레이-수신자 거리는 소스-리레이 거리보다 훨씬 크다고 가정한다.
• 세 가지 리레이 선택 전략을 제안한다: 무작위 선택, 최적 리레이 선택, 그리고 완전한 채널 상태 정보(CSI)가 필요한 전략.
• 다수의 소스에 대한 리레이 할당을 코operative 형성 게임으로 모델링하고, 다양한 수익 함수에 기반한 분산 알고리즘을 사용한다.
• 코operative 형성에서의 조율 오버헤드를 모델링하기 위해 비용 계수 κ를 도입하며, 이는 리레이 선택 및 시스템 성능에 영향을 준다.
• 시뮬레이션 기반 검증을 통해 분석 결과를 확인하고, 다양한 파라미터 하에서 수렴성과 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 수확 리레이가 공간적으로 랜덤한 리레이 배치를 갖는 협업 네트워크에서 전통적인 자기 공급 전원 리레이와 동일한 다변화 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ2 에너지 수확 제약 하에서 리레이 선택 전략의 선택이 아웃리지 확률과 시스템 신뢰성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 비용 계수 κ로 모델링된 조율 오버헤드가 다수 소스 협업 네트워크에서 리레이 할당의 성능과 수렴성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 리레이의 공간 분포가 소스 신호로부터 에너지를 수확하는 리레이에서 아웃리지 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 에너지 수확 협업 네트워크에서 리레이를 소스 근처에 배치하는 것과 수신자 근처에 배치하는 것 중 어느 쪽이 더 유리한가?

주요 결과

• 에너지 수확 리레이가 전통적 리레이와 동일한 다변화 이득을 달성함으로써, SWIPT가 협업 네트워크에서 다변화 순서를 손상시키지 않음을 입증한다.
• 에너지 수확 리레이를 사용할 경우 아웃리지 확률은 log(SNR)/SNR²의 속도로 감소하며, 이는 전통적인 협업 네트워크의 1/SNR²보다 느린 감소 속도를 보인다.
• 제안된 코operative 형성 알고리즘은 빠르게 수렴하여 다수 소스 리레이 할당 시나리오에서 지연과 계산 복잡도를 감소시킨다.
• 비용 계수 κ를 증가시키면 평균 코operative 크기가 감소하여 소스당 리레이 수가 줄어들어 아웃리지 확률이 증가한다.
• κ ≈ 0.001일 때 아웃리지 확률은 κ에 매우 민감하지만, κ ≥ 0.01일 경우 상대적으로 평탄해지며 고오버헤드 영역에서 성능 포화 상태에 도달함을 나타낸다.
• 동시 SWIPT 전략은 소스의 브로드캐스트 신호를 정보와 에너지 모두에 효율적으로 활용하므로 분리 전략보다 더 에너지 효율적이다.