[论文解读] Cognitive Energy Harvesting and Transmission from a Network Perspective

Seunghyun Lee, Kaibin Huang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2012

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文提出一种认知无线电网络，其中次用户发射机（STs）从主用户发射机（PTs）的射频信号中采集能量，并仅在主用户保护区外传输。通过使用独立的泊松点过程的随机几何模型，推导出在中断约束下的最大空间吞吐量的闭式表达式，结果表明次用户吞吐量随主用户密度线性下降，且最优ST密度与ST传输概率成反比。

ABSTRACT

Wireless networks can be self-sustaining by harvesting energy from radio-frequency (RF) signals. Building on classic cognitive radio networks, we propose a novel method for network coexisting where mobiles from a secondary network, called secondary transmitters (STs), either harvest energy from transmissions by nearby transmitters from a primary network, called primary transmitters (PTs), or transmit information if PTs are sufficiently far away; STs store harvested energy in rechargeable batteries with finite capacity and use all available energy for subsequent transmission when batteries are fully charged. In this model, each PT is centered at a guard zone and a harvesting zone that are disks with given radiuses; a ST harvests energy if it lies in some harvesting zone, transmits fixed-power signals if it is outside all guard zones or else idles. Based on this model, the spatial throughput of the secondary network is maximized using a stochastic-geometry model where PTs and STs are modeled as independent homogeneous Poisson point processes (HPPPs), under the outage constraints for coexisting networks and obtained in a simple closed-form. It is observed from the result that the maximum secondary throughput decreases linearly with the growing PT density, and the optimal ST density is inversely proportional to the derived transmission probability for STs.

研究动机与目标

• 通过从主用户传输中采集射频能量，实现自维持的次用户网络。
• 使用空间随机过程对主用户与次用户网络的共存进行建模。
• 在对两个网络均施加中断约束的条件下，最大化次用户网络的空间吞吐量。
• 推导次用户网络中最优发射功率和节点密度的闭式表达式。
• 通过保护区分析次用户网络性能与主用户网络保护之间的权衡。

提出的方法

• 将PTs和STs建模为二维平面上的独立同分布泊松点过程（HPPPs）。
• 在每个PT周围定义保护区（半径 $ r_g $），以保护主用户传输；并定义采集区（半径 $ r_h $）用于能量收集。
• 利用马尔可夫链理论，根据STs相对于PTs的空间分布推导其传输概率 $ p_t $。
• 应用泊松近似来建模活跃STs的空间分布，并计算次用户网络吞吐量。
• 通过信干噪比（SINR）阈值制定主、次用户网络的中断约束。
• 在能量采集和干扰约束下，优化次用户发射功率 $ P_s $ 和ST密度 $ \lambda_s $，以最大化空间吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 PTs和STs的空间分布如何影响由射频能量采集供电的次用户网络的可实现吞吐量？
• RQ2 在主用户网络中断约束下，如何实现ST密度与发射功率之间的最优平衡以最大化次用户网络吞吐量？
• RQ3 增加PT密度如何影响次用户网络可实现的最大吞吐量？
• RQ4 在何种条件下，次用户网络吞吐量受主用户网络保护限制而非能量可用性限制？
• RQ5 最优ST密度与ST传输概率之间的解析关系是什么？

主要发现

• 最大次用户空间吞吐量 $ \mathcal{C}_s^* $ 随主用户密度 $ \lambda_p $ 增加而线性下降，表明主用户网络密度与次用户性能之间存在直接权衡。
• 最优ST密度 $ \lambda_s^* $ 与次用户传输概率 $ p_t $ 成反比，意味着更高的ST活跃度需要更低的ST密度以维持系统稳定性。
• 当能量采集效率 $ \eta $ 和 $ r_h^{-\alpha} $ 足够大时，最优 $ \lambda_s^* $ 由主用户与次用户中断概率约束的交点决定。
• 若 $ \eta r_h^{-\alpha} < \frac{\theta_s}{\theta_p} \left( \frac{\mu_s}{\mu_p} \right)^{-\alpha/2} $，则次用户中断约束成为瓶颈，$ \lambda_s^* $ 受次用户网络需求限制。
• 数值结果证实，中断概率的解析近似与仿真结果高度吻合，验证了模型在真实参数下的准确性。
• 当 $ \lambda_p \to 0 $ 时，$ \mathcal{C}_s^* $ 趋近其理论最大值，但 $ \lambda_s^* \to \infty $，表明稀疏的PT部署需要不切实际的高密度ST部署才能实现峰值吞吐量。