[論文レビュー] Wireless-Powered Cooperative Communications via a Hybrid Relay

He Chen, Xiangyun Zhou+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、送信元がハイブリッドアクセスポイント（AP）からRFエネルギーを収集し、リレーや中継により上行リンク伝送を可能にする無線駆動ネットワークにおいて、エネルギー協調（E-C）およびデュアル協調（D-C）の2つの協調プロトコルを提案する。下行リンクのエネルギー転送と上行リンクの情報伝送のための時間およびパワー割り当てを共同最適化することにより、E-Cプロトコルは高SNRにおいてD-Cを上回り、特にリレ−が送信元から離れている場合に顕著である。一方、D-Cプロトコルは、リレ−が近接して配置されている低SNR領域で優位である。

ABSTRACT

In this paper, we consider a wireless-powered cooperative communication network, which consists of a hybrid access-point (AP), a hybrid relay, and an information source. In contrast to the conventional cooperative networks, the source in the considered network is assumed to have no embedded energy supply. Thus, it first needs to harvest energy from the signals broadcast by the AP and/or relay, which have constant power supply, in the downlink (DL) before transmitting the information to the AP in the uplink (UL). The hybrid relay can not only help to forward information in the UL but also charge the source with wireless energy transfer in the DL. Considering different possible operations of the hybrid relay, we propose two cooperative protocols for the considered network. We jointly optimize the time and power allocation for DL energy transfer and UL information transmission to maximize the system throughput of the proposed protocols. Numerical results are presented to compare the performance of the proposed protocols and illustrate the impacts of system parameters.

研究の動機と目的

• ハイブリッドAPからの無線エネルギー転送（WET）と中継を活用して、エネルギー制約のある送信元を支援する協調ネットワークにおける課題に対処すること。
• ハイブリッドリレ−がエネルギー転送と情報フォワーディングの両方を実行する2つの新規協調プロトコル（E-CおよびD-C）を設計すること。
• 下行リンクのエネルギー転送と上行リンクの情報伝送のための時間およびパワー割り当てを共同最適化することで、システムスルーレットを最大化すること。
• SNRやリレ−の位置といったネットワーク条件に基づいて、各プロトコルがそれぞれ条件下でなぜ好ましいかのパフォーマンスインサイトを提供すること。

提案手法

• 2つのプロトコルを提案：E-Cでは、リレ−が下行リンクで送信元を充電し、上行リンクで自身のデータをフォワードする。D-Cでは、異なる時間スロットでリレ−が充電とフォワーディングを交互に実行する。
• 半二重、単一アンテナ、線形トポロジーのシステムモデルを採用し、Rayleigh fadingと路損失指数α ∈ [2,5]を仮定する。
• ピークおよび平均パワー制約下でのスルーレット最大化の最適化問題を定式化し、時間およびパワー割り当てを共通の変数として扱う。
• 探索範囲の解析的縮小により1次元の全探索を実施し、計算効率を確保する。
• 路損失効果を捉えるために、チャネルモデルにE{hXY} = 10⁻³(dXY)^{-α}を用い、エネルギー収集効率を50%と仮定する。
• 平均送信パワー、リレ−距離、ピーク対平均パワー比（μ）を変化させたパラメータスキャンを実施し、平均化のため5000回のチャネル実現値を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 システムスルーレットの観点から、E-CプロトコルがD-Cプロトコルを上回る条件は何か？
• RQ2 リレ−の位置（送信元からの距離）は、2つのプロトコルのパフォーマンスにどのように影響するか？
• RQ3 平均送信パワーおよびピーク対平均パワー比（μ）は、プロトコルの最適パフォーマンスにどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 エネルギー転送と情報フォワーディングの時間割り当てのトレードオフは、システムスルーレットにどのように影響するか？
• RQ5 どのSNR条件下で各プロトコルが優れたパフォーマンスを発揮するか？

主な発見

• E-Cプロトコルは、高SNRにおいてD-Cプロトコルを上回るスルーレットを達成するが、特にリレ−が送信元から離れている場合に顕著である。
• リレ−が送信元に近接している場合、低〜中程度のSNR領域においてD-CプロトコルがE-Cプロトコルを上回る。
• μの増加に伴い、スルーレットは単調に減少する。これはピーク送信パワーの低下により、利用可能なパワー割り当て空間が制限されるためである。
• 送信元-リレ−距離（dSR）が増加するにつれて、両プロトコルの平均スルーレットは滑らかに低下し、リレ−の近接配置がパフォーマンス向上に寄与することが示唆される。
• 高SNR（2 W送信パワー）では、E-CがD-Cを上回るが、リレ−が非常に近接している場合を除く。低SNR（0.4 W）では、dSRが大きくならない限り、D-Cが優位に立つ。