[논문 리뷰] On Wireless Energy and Information Transfer in Relay Networks

Mahdi Haghifam, Behrooz Makki외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 24.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 리레이가 소스의 RF 신호로부터 에너지를 수확하는 리lay 네트워크에서 최적화된 무선 에너지 및 정보 전송 방식을 제안한다. 에너지 제약 조건 하에서 최적의 시간 및 전력 할당에 대한 폐쇄형 표현식을 유도함으로써, 중단 확률을 최소화하고, 완벽한 CSI를 갖춘 기회적 리레이링이 N개의 리레이를 사용할 경우 다양도 차수 (N+1)/2를 달성함을 보여준다.

ABSTRACT

This paper investigates the outage probability and the throughput of relay networks with wireless information and energy transfer where the relays harvest energy from the transmitted radio-frequency signal of the source. Considering different power consumption models, we derive the outage probability for both adaptive and non-adaptive power allocations at the relay. With a total energy consumption constraint at the source, we provide closed-form expressions for the optimal time sharing and power allocation between the source energy and information transfer signals as well as the optimal relay positioning such that the outage probability is minimized. Finally, we extend our analysis to multi-relay networks. We show that with perfect channel state information (CSI) available at the relays and $N$ relays the opportunistic relaying scheme achieves diversity order of $\frac{N+1}{2}$. Also, we analyze the opportunistic relaying with partial CSI where either the source-relay or the relay-destination CSI is provided at its corresponding transmit terminal, and prove that the relay selection based on the source-relay CSI outperforms the relay selection based on the relay-destination CSI, in terms of outage probability. The analytical and simulation results demonstrate the efficiency of wireless energy and information transfer systems in different conditions.

연구 동기 및 목표

• RF 신호로부터 에너지를 수확하는 리레이 네트워크의 중단 확률 및 총량을 분석하기 위해.
• 총 에너지 소비 제약 조건 하에서 소스에서의 에너지와 정보 전송 간의 상충 관계를 다루기 위해.
• 중단 확률을 최소화하기 위해 최적의 시간 공유, 전력 할당 및 리레이 위치를 결정하기 위해.
• 완벽한 및 부분적인 채널 상태 정보(CSI) 하에서 기회적 리레이링을 고려한 다중 리레이 네트워크로 분석를 확장하기 위해.

제안 방법

• 리레이에서 적응형 및 비적응형 전력 할당 조건 하에서 중단 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 시간 공유와 에너지 및 정보 신호 간 전력 할당을 공동 최적화하기 위해 소스의 총 에너지 소비를 제약 조건으로 모델링한다.
• 에너지 수확 제약 조건 하에서 중단 확률을 최소화하기 위해 리레이 위치를 최적화 변수로 사용한다.
• 완벽한 CSI 하에서 기회적 리레이링을 사용한 다중 리레이 네트워크를 분석하고, 다양도 차수 (N+1)/2를 유도한다.
• 부분적인 CSI 조건 하에서 소스-리레이 CSI 기반과 리레이-수신기 CSI 기반의 리레이 선택 전략을 비교하며, 중단 확률을 성능 지표로 사용한다.
• 해석적 유도와 시뮬레이션을 활용하여 제안된 방식의 효율성과 다양한 네트워크 조건에서의 강건성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 총 에너지 소비 제약 조건 하에서 중단 확률을 최소화하기 위해 소스에서 에너지와 정보 전송 간 최적의 시간 및 전력 할당은 무엇인가?
• RQ2 에너지 수확 기반 리레이 네트워크에서 리레이 위치는 중단 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 완벽한 CSI가 리레이에 제공될 경우, N개의 리레이를 사용한 기회적 리레이링이 달성하는 다양도 차수는 얼마인가?
• RQ4 부분적인 CSI 조건 하에서, 소스-리레이 CSI 기반 선택 전략과 리레이-수신기 CSI 기반 선택 전략 중 어느 것이 더 낮은 중단 확률을 제공하는가?

주요 결과

• 에너지 제약 조건 하에서 중단 확률을 최소화하기 위해 소스에서 에너지 및 정보 신호 간 최적의 시간 공유 및 전력 할당에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하였다.
• 최적의 리레이 위치가 중단 확률을 크게 감소시키며, 성능 향상은 채널 조건 및 에너지 수확 효율성에 따라 달라진다.
• 완벽한 CSI 조건 하에서 기회적 리레이링은 N개의 리레이를 사용할 경우 다양도 차수 (N+1)/2를 달성하여, 더 많은 리레이가 신뢰성을 향상시킴을 보여준다.
• 부분적인 CSI 조건 하에서, 소스-리레이 채널 상태 정보 기반의 리레이 선택 전략이 리레이-수신기 CSI 기반 전략보다 중단 확률 측면에서 뛰어나다.
• 해석적 유도 및 시뮬레이션 결과는 제안된 무선 에너지 및 정보 전송 프레임워크가 다양한 네트워크 구성에서 효율적이고 강건함을 확인한다.