[논문 리뷰] Wireless-powered relaying with finite block-length codes

Mahdi Haghifam, Behrooz Makki외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 18.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 13인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 유한 블록길이 부호를 사용한 무선 에너지 및 정보 전송을 갖는 앰플리파이-앤퍼포트 리레이 네트워크를 분석하며, 시간 스위칭 리레이링(TSR) 및 파워 스플리팅 리레이링(PSR) 프로토콜 하에서 비상착성 확률과 Throughput에 대한 날카운 가까운 근사치를 제안한다. 주요 발견은 주어진 데이터 전송률 하에서 최적의 코드어 길이가 존재하여 Throughput를 최대화하며, TSR은 일반적으로 PSR보다 낮은 비상착성 확률을 달성하지만, 최적의 파워 스플리팅 설정 하에서는 PSR가 더 높은 Throughput를 제공한다는 것이다.

ABSTRACT

This paper studies the outage probability and the throughput of amplify-and-forward relay networks with wireless information and energy transfer. We use some recent results on finite block-length codes to analyze the system performance in the cases with short codewords. Specifically, the time switching relaying and the power splitting relaying protocols are considered for energy and information transfer. We derive tight approximations for the outage probability/throughput. Then, we analyze the outage probability in asymptotically high signal-to-noise ratios. Finally, we use numerical results to confirm the accuracy of our analysis and to evaluate the system performance in different scenarios. Our results indicate that, in delay-constrained scenarios, the codeword length affects the outage probability/throughput of the joint energy and information transfer systems considerably.

연구 동기 및 목표

• 짧은 코드어 길이 제약 조건 하에서 샤논의 용량 공식을 적용할 경우 에너지 수확 리레이 네트워크에서 성능 격차를 해소하기 위해.
• 유한 블록길이 부호를 사용한 앰플리파이-앤퍼포트 리레이 네트워크에서 비상착성 확률과 Throughput를 모델링하고 분석하기 위해.
• 유한 블록길이 조건 하에서 시간 스위칭 리레이링(TSR) 및 파워 스플리팅 리레이링(PSR) 프로토콜의 성능을 비교하기 위해.
• Throughput를 최대화하고 비상착성 확률를 최소화하는 데 기여하는 최적의 시스템 파rameter(예: 코드어 길이, 시간/파워 스플리팅 요소)를 규명하기 위해.
• 다양한 SNR 및 블록길이 영역에서 수치 결과를 통해 분석 근사치를 검증하기 위해.

제안 방법

• 최근의 유한 블록길이 용량 근사치[9]를 활용하여 짧은 코드어로 달성 가능한 전송률을 모델링한다.
• TSR 및 PSR 프로토콜 하에서 비상착성 확률에 대한 날카운 폐형 근사치를 유도한다(Lemma 2 및 Lemma 3).
• 고 SNR 점근적 분석을 적용하여 SNR 증가에 따른 비상착성 행동을 특성화하며, log(SNR)/SNR에 대해 선형 감소함을 보인다.
• 코드어 길이, SNR, 에너지 스플리팅 요소(PSR의 경우 α, TSR의 경우 θ)에 따라 시스템 Throughput를 함수로 기술한다.
• 다양한 시나리오(다양한 SNR, 블록길이, 스플리팅 요소 포함)에서 수치 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.
• 유한 길이 성능을 점진적 장코드어 결과와 비교하여 분석하고, 고 SNR 영역에서 높은 일치도를 보임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한 블록길이는 무선 에너지 리레이를 갖는 앰플리파이-앤퍼포트 리레이 네트워크에서 비상착성 확률과 Throughput에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 주어진 정보 전송률(내트 단위) 하에서 시스템 Throughput를 최대화하는 최적의 코드어 길이는 무엇인가?
• RQ3 유한 블록길이 조건 하에서 시간 스위칭(TSR) 및 파워 스플리팅(PSR) 프로토콜은 비상착성 확률과 Throughput 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 비상착성 확률의 고 SNR 행동은 어떻게 되며, SNR 및 블록길이와 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 파워 스플리팅 요소(α)와 시간 스위칭 요소(θ)는 시스템 성능에 어떤 영향을 미치며, 그 최적 값은 무엇인가?

주요 결과

• 고정된 정보 내트 수(K)가 주어진 상태에서, 시스템 Throughput를 최대화하는 최적의 유한 코드어 길이 L가 존재하며, 이는 코드 레이트와 디코딩 신뢰성 사이의 상충 관계를 반영한다.
• 고 SNR 영역에서 비상착성 확률은 log(SNR)/SNR에 대해 선형 감소하며, 이는 유한 블록길이 조건 하에서 예측 가능한 스케일링 행동을 확인한다.
• 시간 스위칭 리레이링(TSR)은 다양한 시스템 파rameter 범위에서 파워 스플리팅 리레이링(PSR)보다 낮은 비상착성 확률을 달성한다.
• 최적의 파워 스플리팅 요소 α 설정 하에서는 파워 스플리팅 리레이링(PSR)이 스펙트럼 효율성이 더 뛰어나기 때문에 Throughput 측면에서 TSR을 능가한다.
• Lemma 3의 분석 근사치는 L ≥ 200일 경우 수치 결과와 날카운 일치를 보이며, Lemma 2는 낮은 에너지 수확 환경에서는 더 느슨한 근사치를 제공한다.
• 고 SNR 영역에서 유한 블록길이에 의한 Throughput 열화는 무시할 수 없을 정도로 미미하며, 이는 유한 길이 부호어로 장코드어 성능에 가까운 성능을 달성할 수 있음을 시사한다.