[論文レビュー] RF-based Energy Harvesting in Decode-and-Forward Relaying Systems: Ergodic and Outage Capacities

Yanju Gu, Sonia Aı̈ssa|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 34被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、中継が情報信号および同帯域干渉信号からエネルギーを回収して送信を駆動する、デコードアンドフォワード中継システムにおけるRFエネルギー回収方式を提案する。時間スイッチング（TS）およびパワー・スプリッティング（PS）プロトコルを用いて、確率的およびアウトージ容量を導出。高SNRではPSがTSを上回り、低SNRではTSが優れる。容量の順序は干渉分布に依存し、等価パワー分配が最悪で、単一干渉源が最良である。

ABSTRACT

Radio-frequency energy harvesting constitutes an effective way to prolong the lifetime of wireless networks, wean communication devices off the battery and power line, benefit the energy saving and lower the carbon footprint of wireless communications. In this paper, an interference aided energy harvesting scheme is proposed for cooperative relaying systems, where energy-constrained relays harvest energy from the received information signal and co-channel interference signals, and then use that harvested energy to forward the correctly decoded signal to the destination. The time-switching scheme (TS), in which the receiver switches between decoding information and harvesting energy, as well as the power-splitting scheme (PS), where a portion of the received power is used for energy harvesting and the remaining power is utilized for information processing, are adopted separately. Applying the proposed energy harvesting approach to a decode-and-forward relaying system with the three-terminal model, the analytical expressions of the ergodic capacity and the outage capacity are derived, and the corresponding achievable throughputs are determined. Comparative results are provided and show that PS is superior to TS at high signal-to-noise ratio (SNR) in terms of throughput, while at low SNR, TS outperforms PS. Furthermore, considering different interference power distributions with equal aggregate interference power at the relay, the corresponding system capacity relationship, i.e., the ordering of capacities, is obtained.

研究の動機と目的

• 無線ネットワークにおける中継のエネルギー制約を解消するため、情報信号および同帯域干渉信号からRFエネルギーを回収可能にする。
• デコードアンドフォワード中継システムにおける2つのエネルギー回収プロトコル—時間スイッチング（TS）およびパワー・スプリッティング（PS）—の性能を評価する。
• 確率的およびアウトージ容量の解析的表現を導出し、実現可能なシステムスループットを特定する。
• 全干渉パワーが一定である条件下で、干渉パワー分配がシステム容量に与える影響を調査する。
• 異なるSNR領域および干渉シナリオにおけるTSおよびPSプロトコルのスループット性能を比較する。

提案手法

• システムは、中継がソース信号と同帯域干渉（CCI）信号の重ね合わせからエネルギーを回収する3ノードのデコードアンドフォワード中継モデルを採用する。
• 2つのエネルギー回収プロトコルを分析：時間スイッチング（TS）では、中継が時間的に受信デコードとエネルギー回収を交互に実行する。パワー・スプリッティング（PS）では、受信信号パワーの一部をエネルギー回収用、一部を情報復調用に分割する。
• 確率的およびアウトージ容量を解析的に導出し、レイリー fading チャネル下での実現可能スループットを定量化する。
• 主要化理論を用いて干渉パワー分配の影響を検討し、干渉ベクトルをシュール凸性によって順序付け、容量順序を特定する。
• 確率的およびアウトージ容量制約下でスループットを最大化する最適な時間およびパワー分割比を導出する。
• シミュレーションにより、さまざまなSNRレベルおよび干渉分布におけるスループット性能を比較し、解析結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RFエネルギー回収を施したデコードアンドフォワード中継システムにおいて、時間スイッチング（TS）およびパワー・スプリッティング（PS）プロトコルの実現可能スループット性能は、どのように比較されるか？
• RQ2 全干渉パワーを一定に保った場合、干渉パワー分配がシステム容量に与える影響は何か？
• RQ3 どのSNR条件下で、確率的およびアウトージ容量の観点からPSがTSを上回るか？
• RQ4 干渉信号が複数の干渉源に均等に分配される場合と不均等に分配される場合とで、システム容量はどのように変化するか？
• RQ5 異なる干渉パワー分配状態におけるシステム容量の順序は何か？また、どの分配状態が最良で、どの状態が最悪の性能を示すか？

主な発見

• 高SNRでは、最適なパワー分割によりSNR劣化が最小限に抑えられるため、パワー・スプリッティング（PS）プロトコルが時間スイッチング（TS）よりも高い最適確率的およびアウトージスループットを達成する。
• 低SNRでは、PSが信号パワーが不十分なために信頼性の高い復調が困難となるため、時間スイッチング（TS）プロトコルが最適アウトージスループットにおいてPSを上回る。
• 確率的およびアウトージ容量は、干渉パワー分配ベクトルに関してシュール凸関数であるため、干渉パワーがより均等に分配されるほど容量が低下する。
• 干渉信号がすべて中継で同じ受信パワーを持つ場合が最悪の容量性能を示し、単一の干渉源が存在する場合が最良の性能を達成する。
• 全干渉パワーが一定である場合、干渉エネルギーが1つの送信源に集中しているときにシステム容量が最大となり、複数の干渉源に均等に分配されているときに最小となる。
• 確率的およびアウトージ容量の解析的表現は、シミュレーションにより検証され、さまざまなSNRおよび干渉設定において理論的導出と強く一致した。