[論文レビュー] Wireless Information and Power Transfer in Two-Way Amplify-and-Forward Relaying Channels

Zhiyong Chen, Biao Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 7被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、二方向アンプリファイ・フォワーディングリレーシステムにおける無線情報・エネルギー伝送プロトコルを提案する。エネルギー効率の高いリレ一は、二つの送信元からのRF信号を用いてエネルギーを回収するとともに、それらのデータを中継する。主な貢献は、正確な outage 確率、周波数効率、有限SINRにおける多様性・multiplexingトレードオフの導出に加え、タイトな閉形式の境界を提示し、追加のリソース消費なしに性能が向上することを示している。

ABSTRACT

The various wireless networks have made the ambient radio frequency signals around the world. Wireless information and power transfer enables the devices to recycle energy from these ambient radio frequency signals and process information simultaneously. In this paper, we develop a wireless information and power transfer protocol in two-way amplify-and-forward relaying channels, where two sources exchange information via an energy harvesting relay node. The relay node collects energy from the received signals and uses it to provide the transmission power to forward the received signals. We analytically derive the exact expressions of the outage probability, the ergodic capacity and the finite-SNR diversity-multiplexing trade-off (DMT). Furthermore, the tight closed-form upper and lower bounds of the outage probability and the ergodic capacity are then developed. Moreover, the impact of the power splitting ratio is also evaluated and analyzed. Finally, we show that compared to the non-cooperative relaying scheme, the proposed protocol is a green solution to offer higher transmission rate and more reliable communication without consuming additional resource.

研究の動機と目的

• 外部電源を必要とせず、情報伝送と電力伝送を同時に実現するグリーンでエネルギー効率の高い二方向リレープロトコルの設計を目的とする。
• レイノルズフェイディングチャネル下でのこのようなシステムの性能限界を、主要指標の正確な表現を用いて分析することを目的とする。
• エネルギー回収と信号中継のトレードオフを、パワー分離比によって評価することを目的とする。
• 非協調リレーシステムと比較して、本プロトコルがスペクトル、時間、エネルギー資源を追加で消費せずに、より高い信頼性とスペクトル効率を達成できることを示すこと

提案手法

• 二つの送信元が単一のエネルギー回収型リレー経由でデータを交換する、半二重モードの二方向アンプリファイ・フォワーディング（AF）リレープロトコルを採用する。
• リレーではパワー分離モデルを用い、受信RF信号パワーの割合λをエネルギー回収に、残りを情報処理に割り当てる。
• リレーでの回収エネルギーを $ Q = \eta\lambda(P_1|h_1|^2 + P_2|h_2|^2)/2 $ で表し、$ \eta $ はエネルギー変換効率とする。
• 回収エネルギーに基づき、リレーの送信パワーを $ P_r = \eta\lambda(P_1|h_1|^2 + P_2|h_2|^2) $ とモデル化する。
• 各送信元におけるエンドツーエンドの信号対インターフェース＋ノイズ比（SINR）を、級連されたチャネル利得とノイズから導出する。
• 特殊関数（例：変形ベッセル関数 $ \mathcal{K}_1 $）と積分近似を用いて、outage 確率および周波数効率の正確かつタイトな閉形式境界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー回収型二方向AFリレーシステムの性能は、非協調リレーシステムと比較して、outage 確率および周波数効率の観点でどのように異なるか？
• RQ2 レイノルズフェイディング下における二方向エネルギー回収型AFリレーシステムの、outage 確率および周波数効率の正確な表現は何か？
• RQ3 パワー分離比λは、エネルギー回収と伝送品質のトレードオフにどのように影響するか？
• RQ4 本プロトコルの有限SINRにおける多様性・multiplexingトレードオフ（DMT）は何か？ また、従来の手法と比較してどう異なるか？
• RQ5 outage 確率および周波数効率に対して、タイトな閉形式の上界および下界を導出できるか？ これにより実用的な性能評価が可能になるか？

主な発見

• modified Bessel 関数 $ \mathcal{K}_1 $ を用いた正確な outage 確率の導出が行われ、チャネル利得とノイズ分散を含む閉形式表現が得られた。
• 周波数効率は、逐次展開と関連超幾何関数 $ \Psi $ を用いて分析され、性能評価の高精度化が可能になった。
• outage 確率および周波数効率の両方について、タイトな閉形式の上界および下界が開発され、解析的取り扱いが容易になった。
• 有限SINRにおける多様性・multiplexingトレードオフ（DMT）が導出され、追加のリソースコストなしに多様性ゲインを達成できることを示した。
• パワー分離比λは非自明な影響を及ぼす：過剰なエネルギー回収割合は中継ゲインを低下させるが、逆に不足するとエネルギー供給が制限され、最適なトレードオフ点が存在する。
• 非協調リレーシステムと比較して、本プロトコルは追加のスペクトル、時間、エネルギー資源を消費せずに、より高い周波数効率と優れたoutage性能を達成した。