[论文解读] An Adaptive Transmission Protocol for Wireless-Powered Cooperative Communications

Y. T. Gu, He Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 13被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于无线供能协作通信的自适应传输（AT）协议，其中混合接入点（AP）根据信道状态信息（CSI）在直接传输（HTT）和协作中继（HTC）之间动态选择，以最大化吞吐量。在Nakagami-m衰落信道中，AT协议的平均吞吐量显著高于HTT和HTC协议，其性能通过蒙特卡罗仿真得到分析验证。

ABSTRACT

In this paper, we consider a wireless-powered cooperative communication network, which consists of one hybrid access point (AP), one source and one relay to assist information transmission. Unlike conventional cooperative networks, the source and relay are assumed to have no embedded energy supplies in the considered system. Hence, they need to first harvest energy from the radio-frequency (RF) signals radiated by the AP in the downlink (DL) before information transmission in the uplink (UL). Inspired by the recently proposed harvest-then-transmit (HTT) and harvest-then-cooperate (HTC) protocols, we develop a new adaptive transmission (AT) protocol. In the proposed protocol, at the beginning of each transmission block, the AP charges the source. AP and source then perform channel estimation to acquire the channel state information (CSI) between them. Based on the CSI estimate, the AP adaptively chooses the source to perform UL information transmission either directly or cooperatively with the relay. We derive an approximate closed-form expression for the average throughput of the proposed AT protocol over Nakagami-m fading channels. The analysis is then verified by Monte Carlo simulations. Results show that the proposed AT protocol considerably outperforms both the HTT and HTC protocols.

研究动机与目标

• 为解决在某些信道条件下固定协议（HTT或HTC）性能不足的性能权衡问题。
• 开发一种动态传输策略，根据实时CSI自适应选择直接传输或协作传输。
• 在具有射频能量采集的时延受限、能量受限网络中，最大化平均系统吞吐量。
• 推导在Nakagami-m衰落信道下中断概率和平均吞吐量的闭式表达式，以支持性能分析。

提出的方法

• 在每个传输时隙开始时，AP首先为源节点充电，并估计其与源节点之间的CSI。
• 基于CSI，AP自适应地选择直接传输（HTT）或协作中继（HTC），以最小化中断概率。
• 该协议采用放大转发中继，并在固定速率R的时延受限传输模型下对系统进行建模。
• 通过Nakagami-m衰落下的统计信道模型推导中断概率，关键表达式涉及广义Marcum Q函数和积分近似。
• 通过将中断概率与所需传输速率R相结合，评估平均吞吐量。
• 蒙特卡罗仿真验证了分析结果，证实了AT协议的优越性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同信道条件下，自适应传输协议是否能在无线供能协作网络中优于固定协议（HTT和HTC）？
• RQ2 在能量受限网络中，基于CSI的直接与协作传输选择如何影响系统吞吐量？
• RQ3 自适应协议在Nakagami-m衰落信道下的平均吞吐量的解析表达式是什么？
• RQ4 AT协议在中断概率和吞吐量方面与HTT和HTC相比，其性能在定量上如何？
• RQ5 信道衰落严重程度（m参数）对自适应协议性能增益有何影响？

主要发现

• 所提出的自适应传输（AT）协议在所有信道条件下，其平均吞吐量显著高于HTT和HTC协议。
• 在HTC可能中断而HTT不会中断的场景中，AT协议优于HTC，这是由于基于CSI的动态选择。
• AT协议的平均吞吐量解析表达式通过广义Marcum Q函数和积分近似，以近似闭式形式推导得出。
• AT协议的中断概率低于HTC，尤其是在高衰落环境中，这得益于智能的协议切换机制。
• 数值结果证实，解析的吞吐量表达式与蒙特卡罗仿真结果高度吻合，验证了推导近似的准确性。
• AT协议的性能增益在中高信噪比下最为显著，此时自适应选择能最大化频谱效率。