[論文レビュー] Wireless Information and Power Transfer for Multi-Relay Assisted Cooperative Communication

Yuan Liu|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 22被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、複数の中継ノードを備えた協調ネットワークにおける同時無線情報・電力伝送（SWIPT）を可能にする分散型パワー・スプリッティング方式を提案する。凸最適化を用いてエンドツーエンド伝送レートを同時に最適化することで、中継ノードのエネルギー効率と情報復調性能を向上させた。提案手法のDFおよびAFプロトコルは、従来の最良中継選択および時間スイッチング方式に比べ、特に高SNR領域で顕著な性能向上を達成した。

ABSTRACT

In this paper, we consider simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in multi-relay assisted two-hop relay system, where multiple relay nodes simultaneously assist the transmission from source to destination using the concept of distributed space-time coding. Each relay applies power splitting protocol to coordinate the received signal energy for information decoding and energy harvesting. The optimization problems of power splitting ratios at the relays are formulated for both decode-and-forward (DF) and amplify-and-forward (AF) relaying protocols. Efficient algorithms are proposed to find the optimal solutions. Simulations verify the effectiveness of the proposed schemes.

研究の動機と目的

• RF信号を用いた同時情報伝送と電力伝送により、エネルギー制約のある中継ノードの課題に対処する。
• 複数の中継ノードにおけるパワー・スプリッティング比の最適化を定式化・解法し、デコードアンドフォワード（DF）およびアンプリファイアンドフォワード（AF）プロトコル下でのエンドツーエンド伝送レートを最大化する。
• 各中継ノードが局所的なチャネル状態情報のみを用いて独立に最適パワー・スプリッティング比を計算できる分散アルゴリズムを設計する。
• スペクトル効率およびエネルギー効率の観点から、高SNR領域における時間スイッチング方式や最良中継選択方式に比べ、パワー・スプリッティング方式の優位性を実証する。

提案手法

• ソース、複数の中継ノード、および受信ノードから構成される2ホップ中継ネットワークをモデル化し、ソースと受信ノード間の直接リンクがないものとする。
• 各中継ノードで受信RF信号を2つの信号に分割し、一方を情報復調用、他方をエネルギー回収用に使用するパワー・スプリッティングを適用する。
• DFおよびAFプロトコルそれぞれについて、エンドツーエンドレート最大化問題を分数プログラミング問題として定式化する。
• 変数変換 $ x_i = \alpha_i / \phi_2(\alpha_i) $, $ y_i = 1 / \phi_2(\alpha_i) $ を用いて非凸最適化問題を凸問題に変換し、内点法を用いた効率的かつ高精度な解法を可能にする。
• 各中継ノードが自身の局所的なチャネル利得 $ h_i $ および $ g_i $ のみを用いて、中央集権的制御を必要とせずに最適 $ \alpha_i^* $ を独立に計算できる分散アルゴリズムを導出する。
• 凸緩和および変換技術を用いて、解のグローバル収束性と計算効率を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の中継ノードにおけるパワー・スプリッティング比をどのように共同最適化することで、マルチリレーシステムにおけるエンドツーエンドレートを最大化できるか？
• RQ2 分散型パワー・スプリッティング方式は、マルチリレーコoperativeネットワークにおける従来の最良中継選択方式に比べて、どの程度の性能向上を達成するか？
• RQ3 さまざまなSNR領域において、パワー・スプリッティング方式は時間スイッチング方式に比べてスペクトル効率でどのように優位性を示すか？
• RQ4 中央集権的制御なしに、最適パワー・スプリッティング比を分散的に計算することは可能か？
• RQ5 SWIPTに基づく協調ネットワークにおける、中継ノードの空間的ダイバーシティおよびエネルギー回収効果がシステムスループットに与える影響は何か？

主な発見

• 最適パワー・スプリッティング比を用いた提案DFおよびAF方式は、従来の最良中継選択（BRS）方式に比べ、追加の送信パワーを要せず、より高いエンドツーエンドレートを達成した。
• 提案方式がBRS方式を上回る性能向上は、同じ送信信号を情報伝送とエネルギー回収に同時に使用することで得られる複数中継ノードの空間的ダイバーシティの活用に起因する。
• 高SNR領域ではパワー・スプリッティングが時間スイッチングを上回るが、低SNR領域では逆に時間スイッチングが優位である。これは単一中継ノード系における先行研究の結果を裏付けるものである。
• 提案された最適化フレームワークにより、各中継ノードが自身の局所的なチャネル状態情報のみを用いて最適パワー・スプリッティング比 $ \alpha_i^* $ を分散的に計算可能である。
• 変数変換による非凸問題の凸化により、内点法を用いた効率的かつグローバル最適な解法が可能になった。
• シミュレーション結果から、提案方式は最小限のシグナリングオーバーヘッドで近似的に最適性能を達成しており、エネルギー制約のある中継ネットワークにおける実用的導入に適していることが示された。