[논문 리뷰] Wireless Information and Power Transfer in Two-Way Amplify-and-Forward Relaying Channels

Zhiyong Chen, Biao Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 29.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 7인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 두 방향 수신-증폭-전송 중계 네트워크를 위한 무선 정보 및 에너지 전송 프로토콜을 제안한다. 에너지 수확을 수행하는 중계기가 두 소스로부터 온 RF 신호를 이용해 에너지를 수확하고 동시에 데이터를 중계한다. 주요 기여는 정확한 아웃지 전송 확률, 에르고딕 용량 및 유한-SNR 다중화-다양도 무역(DF)을 유도하고, 이를 위한 날카운드 폐쇄형 경계를 제시함으로써 자원 소비 없이 성능 향상을 입증한 것이다.

ABSTRACT

The various wireless networks have made the ambient radio frequency signals around the world. Wireless information and power transfer enables the devices to recycle energy from these ambient radio frequency signals and process information simultaneously. In this paper, we develop a wireless information and power transfer protocol in two-way amplify-and-forward relaying channels, where two sources exchange information via an energy harvesting relay node. The relay node collects energy from the received signals and uses it to provide the transmission power to forward the received signals. We analytically derive the exact expressions of the outage probability, the ergodic capacity and the finite-SNR diversity-multiplexing trade-off (DMT). Furthermore, the tight closed-form upper and lower bounds of the outage probability and the ergodic capacity are then developed. Moreover, the impact of the power splitting ratio is also evaluated and analyzed. Finally, we show that compared to the non-cooperative relaying scheme, the proposed protocol is a green solution to offer higher transmission rate and more reliable communication without consuming additional resource.

연구 동기 및 목표

• 외부 전원 공급 없이 동시에 정보 전송과 전력 공급을 가능하게 하는 녹색 에너지 수확형 양방향 중계 프로토콜 설계
• 레이일라이 프레임 환경 하에서 주요 지표에 대한 정확한 표현을 통한 이러한 시스템의 성능 한계 분석
• 에너지 수확과 신호 중계 간의 무역을 전력 분할 비율을 통해 평가
• 비협력 중계와 비교하여 제안된 프로토콜이 스펙트럼, 시간, 에너지 자원을 추가로 소비하지 않으면서도 더 높은 신뢰성과 스펙트럼 효율성을 달성함을 입증

제안 방법

• 두 소스가 단일 에너지 수확 중계기를 통해 데이터를 교환하는 허프드럭스 양방향 수신-증폭-전송(AF) 중계 프로토콜을 활용
• 중계기에서 전력 분할 모델을 적용하여 수신된 RF 신호 전력의 비율 λ를 에너지 수확에 할당하고, 나머지 부분은 정보 처리에 사용
• 중계기에서 수확된 에너지를 $ Q = \eta\lambda(P_1|h_1|^2 + P_2|h_2|^2)/2 $ 로 표현하며, $ \eta $ 는 에너지 변환 효율이다.
• 수확된 에너지에 기반해 중계기의 전송 전력을 $ P_r = \eta\lambda(P_1|h_1|^2 + P_2|h_2|^2) $ 로 모델링
• 채널 이득과 노이즈를 고려해 각 소스에서의 종단 간 신호대간섭왜곡비(SINR)를 분석
• 특수 함수(예: 수정 베셀 함수 $ \mathcal{K}_1 $)와 적분 근사 기법을 적용하여 아웃지 전송 확률 및 에르고딕 용량에 대한 정확하고 날카운드 폐쇄형 경계를 도출

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 수확 기능을 갖춘 양방향 AF 중계 시스템의 성능은 비협력 중계와 비교해 아웃지 전송 확률과 에르고딕 용량 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ2 레이일라이 프레임 환경 하에서 에너지 수확 기능이 있는 양방향 에너지 수확 AF 중계 시스템의 아웃지 전송 확률 및 에르고딕 용량에 대한 정확한 수식은 무엇인가?
• RQ3 전력 분할 비율 λ 는 에너지 수확과 전송 품질 간의 무역에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 프로토콜의 유한-SNR 다중화-다양도 무역(DF)은 무엇이며, 기존 기법과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 아웃지 전송 확률과 에르고딕 용량에 대해 날카운드 폐쇄형 상한 및 하한 경계를 도출할 수 있는가? 이를 통해 실용적인 성능 평가가 가능할까?

주요 결과

• 정확한 아웃지 전송 확률은 수정 베셀 함수 $ \mathcal{K}_1 $ 를 사용하여 유도되었으며, 채널 이득과 노이즈 분산을 포함한 폐쇄형 수식으로 표현됨.
• 에르고딕 용량은 콘플루언트 하이퍼기하함수 $ \Psi $ 를 포함한 급수 전개를 통해 분석되어 정밀한 성능 평가가 가능해짐.
• 아웃지 전송 확률 및 에르고딕 용량에 대해 날카운드 폐쇄형 상한 및 하한 경계가 개발되어 분석의 취급 용이성이 향상됨.
• 유한-SNR 다중화-다양도 무역(DF)이 도출되었으며, 추가 자원 비용 없이도 다양도 이득을 달성함을 보여줌.
• 전력 분할 비율 λ 는 비선형적 영향을 미친다: 너무 많은 전력으로 에너지 수확을 하면 중계 이득이 감소하고, 너무 적으면 에너지 확보가 어려워지며, 이는 최적의 무역점이 존재함을 의미함.
• 비협력 중계와 비교해 제안된 프로토콜은 스펙트럼, 시간, 에너지 자원을 추가로 소비하지 않으면서도 더 높은 에르고딕 용량과 우수한 아웃지 성능을 달성함.