[论文解读] Unified Analysis of SWIPT Relay Networks with Noncoherent Modulation

Lina Mohjazi, Sami Muhaidat+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 24被引用 5

一句话总结

本文提出了一种统一的分析框架，用于采用非相干调制的双跳SWIPT中继网络，以消除对瞬时信道状态信息（CSI）的需求，从而实现节能运行。该文推导了在时隙开关（TS）和功率分配（PS）协议下中断概率、吞吐量和符号错误率（SER）的精确表达式，关键结果表明在高信噪比（SNR）区域具有可实现的分集增益和紧密的渐近性能边界。

ABSTRACT

Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) relay networks represent a paradigm shift in the development of wireless networks, enabling simultaneous radio frequency (RF) energy harvesting (EH) and information processing. Different from conventional SWIPT relaying schemes, which typically assume the availability of perfect channel state information (CSI), here we consider the application of noncoherent modulation in order to avoid the need of instantaneous CSI estimation/tracking and minimise the energy consumption. We propose a unified and comprehensive analytical framework for the analysis of time switching (TS) and power splitting (PS) receiver architectures with the amplify-and-forward (AF) protocol. In particular, we adopt a moments-based approach to derive novel expressions for the outage probability, achievable throughput, and average symbol error rate (ASER) of the considered SWIPT system. We quantify the impact of several system parameters, involving relay location, energy conversion efficiency, and TS and PS ratio assumptions, imposed on the EH relay terminal. Our results reveal that the throughput performance of the TS protocol is superior to that of the PS protocol at lower receive signal-to-noise (SNR) values, which is in contrast to the point-to-point SWIPT systems. An extensive Monte Carlo simulation study is presented to corroborate the proposed analysis.

研究动机与目标

• 解决传统SWIPT中继系统中因CSI估计导致的高能耗和信令开销问题。
• 通过采用非相干调制，克服相干调制在能量受限中继节点中的实际局限性。
• 为放大转发（AF）中继网络中的时隙开关（TS）和功率分配（PS）接收机架构提供统一的分析框架。
• 通过关键性能指标的精确表达式和渐近表达式，量化非相干SWIPT中继的性能极限。
• 分析能量采集效率和功率分配比例对系统性能的影响。

提出的方法

• 采用矩方法推导非相干SWIPT中继系统中端到端信噪比（SNR）的统计表达式。
• 将端到端SNR建模为源-中继和中继-目的地信道增益的函数，同时引入能量采集约束。
• 使用梅杰G-函数表示法，以闭式表达端到端SNR的n阶矩，从而实现精确的性能评估。
• 利用矩生成函数技术，推导出中断概率、可实现吞吐量和平均符号错误率（ASER）的精确表达式。
• 在高SNR区域获得中断概率和ASER的渐近表达式，以分析分集增益。
• 通过在各种系统参数下进行广泛的蒙特卡洛仿真，验证分析结果的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在时隙开关和功率分配协议下，非相干SWIPT AF中继系统的精确中断概率是多少？
• RQ2 在非相干SWIPT中继网络中，平均符号错误率（ASER）如何随SNR变化？
• RQ3 系统的可实现分集增益是多少？它如何依赖于能量采集效率和功率分配比例等系统参数？
• RQ4 在高SNR区域，中断概率和ASER的渐近表达式有多准确？
• RQ5 能量转换效率和TS/PS比例对整体系统性能有何影响？

主要发现

• 本文采用基于矩的方法，推导出TS和PS协议下中断概率、吞吐量和ASER的精确闭式表达式。
• 推导出中断概率和ASER的渐近表达式，并在高SNR区域证明其具有紧密性，从而可在高功率水平下实现性能预测。
• 系统可实现的分集增益通过理论分析得到量化，并表明其依赖于系统的能量采集效率和功率分配比例。
• 所提出的框架表明，非相干调制在无需CSI估计的情况下即可实现接近最优的性能，显著降低能耗。
• 仿真结果证实，分析表达式在各种SNR和系统参数设置下均具有高度准确性。
• 分析结果表明，系统性能对能量采集效率以及TS或PS比例的选择高度敏感，且在吞吐量与可靠性之间存在最优权衡。