[논문 리뷰] Wireless-Powered Cooperative Communications via a Hybrid Relay

He Chen, Xiangyun Zhou외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 20.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 원격에서 전력 수확을 통해 에너지를 확보하는 소스가 하이브리드 액세스 포인트(HP)로부터 RF 에너지를 수확하고 중계를 통해 업링크 전송을 가능하게 하는 무선 전력 공급 네트워크를 위한 두 가지 협업 프로토콜—에너지 협업(E-C) 및 듀얼 협업(D-C)—을 제안한다. 다운링크 에너지 전송과 업링크 정보 전송에 대해 시간 및 전력 할당을 공동 최적화함으로써, E-C 프로토콜은 고신호대역비(SNR)에서 D-C를 능가하며, 특히 중계기가 소스에서 멀리 떨어져 있을 경우에 두드러진다. 반면 D-C는 중계기가 가까이 위치해 있을 경우 저신호대역비(SNR) 영역에서 우월하다.

ABSTRACT

In this paper, we consider a wireless-powered cooperative communication network, which consists of a hybrid access-point (AP), a hybrid relay, and an information source. In contrast to the conventional cooperative networks, the source in the considered network is assumed to have no embedded energy supply. Thus, it first needs to harvest energy from the signals broadcast by the AP and/or relay, which have constant power supply, in the downlink (DL) before transmitting the information to the AP in the uplink (UL). The hybrid relay can not only help to forward information in the UL but also charge the source with wireless energy transfer in the DL. Considering different possible operations of the hybrid relay, we propose two cooperative protocols for the considered network. We jointly optimize the time and power allocation for DL energy transfer and UL information transmission to maximize the system throughput of the proposed protocols. Numerical results are presented to compare the performance of the proposed protocols and illustrate the impacts of system parameters.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 액세스 포인트(HP)로부터 무선 전력 전송(WET)을 활용하여 에너지 제약이 있는 소스를 협업 네트워크에서 활용할 수 있도록 하는 도전 과제를 해결하기 위해.
• 하이브리드 중계기가 다운링크에서 에너지 전송과 업링크에서 정보 포워딩을 동시에 수행하는 두 가지 신규 협업 프로토콜—E-C 및 D-C—를 설계하기 위해.
• 다운링크 에너지 전송과 업링크 정보 전송에 대한 시간 및 전력 할당을 공동 최적화하여 시스템 스루풋을 최대화하기 위해.
• 신호대역비(SNR) 및 중계기 위치와 같은 네트워크 조건에 따라 각 프로토콜이 언제 유리한지에 대한 성능 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 두 가지 프로토콜을 제안: E-C는 다운링크에서 중계기가 소스를 충전하고 업링크에서 소스의 데이터를 포워딩하는 방식이며, D-C는 서로 다른 시간 슬롯에서 중계기가 번갈아가며 충전과 포워딩을 수행하는 방식이다.
• 반중계, 단일 안테나, 선형 토폴로지의 시스템 모델을 설정하며, Rayleigh fading과 경로 손실 지수 α ∈ [2,5]를 가정한다.
• 피크 및 평균 전력 제약 조건 하에서 스루풋 최대화를 위한 최적화 문제를 수립하며, 시간 및 전력 할당을 공동 변수로 설정한다.
• 검색 간격을 분석적으로 단순화한 후 일차원 완전 탐색을 통해 최적화 문제를 해결함으로써 계산 효율성을 확보한다.
• 경로 손실 영향을 반영하기 위해 채널 모델로 E{hXY} = 10⁻³(dXY)^{-α}를 사용하며, 에너지 수확 효율을 50%로 가정한다.
• 5000회의 채널 실현치를 평균화하여 평균 전송 전력, 중계기 거리, 피크 대 평균 전력 비율(μ)에 따른 성능을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시스템 스루풋 측면에서 E-C 프로토콜이 D-C 프로토콜보다 더 효과적인 경우는 언제인가?
• RQ2 중계기의 위치(소스로부터의 거리)는 두 프로토콜의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 평균 전송 전력과 피크 대 평균 전력 비율(μ)은 프로토콜의 최적 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 에너지 전송과 정보 포워딩에 할애하는 시간 할당 간의 트레이드오���은 시스템 스루풋에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 각 프로토콜이 우월한 성능를 발휘하는 신호대역비(SNR) 조건는 무엇인가?

주요 결과

• E-C 프로토콜은 중계기가 소스에서 멀리 떨어져 있을 경우, 특히 고SNR에서 D-C보다 더 높은 스루풋을 달성한다.
• 중계기가 소스에 가까이 위치해 있을 경우, 저~중간 SNR 영역에서 D-C 프로토콜이 E-C를 능가한다.
• μ가 증가할수록 스루풋이 단조롭게 감소한다. 이는 피크 전송 전력이 감소하여 가용 전력 할당 공간이 제한되기 때문이다.
• 소스-중계기 거리(dSR)가 증가할수록 두 프로토콜의 평균 스루풋이 부드럽게 감소함을 보여, 더 가까운 중계기 배치가 성능 향상에 유리하다.
• 고SNR(2W 전송 전력)에서는 E-C가 D-C를 능가하지만, 중계기가 매우 가까이 있을 경우를 제외하고는 그렇지 않다. 저SNR(0.4W)에서는 dSR가 크지 않은 한 D-C가 우세하다.