[論文レビュー] Energy Harvesting Cooperative Networks: Is the Max-Min Criterion Still Diversity-Optimal?

Zhiguo Ding, H. Vincent Poor|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 22被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、エネルギー効率の良い協調ネットワークにおけるユーザースケジューリングを調査し、従来の最大最小基準—従来のネットワークでは最適—が完全な多様性ゲインを達成しないことを示している。単一のスケジュールドユーザーペアにおいて、最大最小基準は、エネルギー効率の良いシステムにおけるソースレーダー間およびレーダー受信機間チャネルの重要性が不均一であるため、最大のMではなく(M+1)/2の多様性ゲインしか達成しない。本稿では、エネルギー効率の制約に適合した新しいスケジューリング戦略を提案し、解析的およびシミュレーション結果によって検証している。

ABSTRACT

This paper considers a general energy harvesting cooperative network with M source-destination (SD) pairs and one relay, where the relay schedules only m user pairs for transmissions. For the special case of m = 1, the addressed scheduling problem is equivalent to relay selection for the scenario with one SD pair and M relays. In conventional cooperative networks, the max-min selection criterion has been recognized as a diversity-optimal strategy for relay selection and user scheduling. The main contribution of this paper is to show that the use of the max-min criterion will result in loss of diversity gains in energy harvesting cooperative networks. Particularly when only a single user is scheduled, analytical results are developed to demonstrate that the diversity gain achieved by the max-min criterion is only (M+1)/2, much less than the maximal diversity gain M. The max-min criterion suffers this diversity loss because it does not reflect the fact that the source-relay channels are more important than the relay-destination channels in energy harvesting networks. Motivated by this fact, a few user scheduling approaches tailored to energy harvesting networks are developed and their performance is analyzed. Simulation results are provided to demonstrate the accuracy of the developed analytical results and facilitate the performance comparison.

研究の動機と目的

• RF信号からのエネルギー効率の良いリレーや、リレーや受信機がエネルギーを収集する協調ネットワークにおける最大最小選択基準の性能を分析すること。
• 従来の協調システムでは最適であるにもかかわらず、エネルギー効率の良いネットワークではなぜ最大最小基準が完全な多様性ゲインを達成できないかを特定すること。
• エネルギー効率の良い状況下で、ソースレーダー間とレーダー受信機間チャネルの非対称な重要性を考慮した新しいユーザースケジューリング戦略の開発。
• エネルギー効率の制約下での最大最小基準の正確なおよび漸近的 outage 確率の式を導出すること。
• 最大最小基準の多様性ゲインを理論的最大値と比較し、代替スケジューリング方式の性能を評価すること。

提案手法

• M個のソース受信機ペアと1つのリレータが、m組のペアを送信スケジューリングする一般化されたエネルギー効率の良い協調ネットワークモデルを定式化する。
• m=1の場合に、順序統計とoutageイベントの適切なグループ化を用いて、最大最小基準の正確なoutage確率を導出する。
• SNRが増加する際の支配的項に注目して、outage式に対する漸近的解析を適用し、多様性ゲインを特定する。
• 小SNRにおけるoutage確率の近似に、ベッセル関数を含む積分表現と級数展開を用いる。
• リレーエネルギーと信頼性に与える影響が大きいソースレーダー間チャネル品質を優先する、新しいスケジューリングアプローチを導入する。
• シミュレーションを用いて解析結果を検証し、さまざまなSNRおよびM値における最大最小基準と提案手法の性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最大最小選択基準は、エネルギー効率の良い協調ネットワークでも多様性最適性を保つのか？
• RQ2 エネルギー効率の良いリレーサイドで単一ユーザースケジューリングを行う場合、最大最小基準が達成する実際の多様性ゲインは何か？
• RQ3 なぜ最大最小基準は、エネルギー効率の良いネットワークでは完全な多様性ゲインを達成できないのか？
• RQ4 ソースレーダー間とレーダー受信機間チャネルの相対的な重要性は、エネルギー効率の良いシステムにおけるスケジューリング性能にどのように影響するか？
• RQ5 エネルギー効率の良い協調ネットワークで失われた多様性ゲインを回復するための新しいスケジューリング戦略を設計できるか？

主な発見

• 最大最小基準は、エネルギー効率の良い協調ネットワークでは多様性ゲインが(M+1)/2にとどまり、最大のMに比べて顕著に低い。
• 多様性損失は、最大最小基準がソースレーダー間とレーダー受信機間チャネルを対称的に扱う一方で、エネルギー収集制約により前者がより重要であるため生じる。
• 漸近的outage解析により、支配的outage項がε^M ln εに比例することが判明し、多様性次数はMであるが、最大最小基準は最適でない選択により(M+1)/2にしか達成できない。
• m=1の場合、順序統計とベッセル関数を含む複雑な積分を用いて正確なoutage確率を導出し、その後漸近展開を適用する。
• ソースレーダー間リンクの品質を優先する提案されたスケジューリング戦略は、多様性ゲインおよびoutage性能の点で最大最小基準を上回る。
• シミュレーション結果は解析的結果を確認しており、高SNR領域において最大最小基準はエネルギーに配慮したスケジューリング方式に劣ることが示された。