[论文解读] D2D User Selection For Simultaneous Spectrum Sharing And Energy Harvesting

Mansi Peer, Vivek Ashok Bohara+1 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于D2D用户选择的混合时隙切换与功率分配协议，可在蜂窝网络中实现同时的频谱共享与能量采集。通过选择能量采集量最高且可实现速率最优的D2D用户作为中继，该系统在确保可靠译码与转发中继的同时，提升了蜂窝用户中断性能，其闭式中断概率表达式已通过仿真验证。

ABSTRACT

This paper presents a device-to-device (D2D) user selection protocol wherein multiple D2D pairs coexist with a cellular network. In the developed framework, certain D2D users harvest energy and share the spectrum of the cellular users by adopting a hybrid time switching and power splitting protocol. The D2D user which harvests the maximum energy and achieves the desired target rate for the cellular communication is selected to serve as a decode-and-forward (DF) relay for the cellular user. The proposed work analyzes the impact of increase in the number of D2D users on the performance of cellular user as well as derives an upper bound on the time duration of energy harvesting within which best possible rate for cellular user can be obtained. The performance of the proposed protocol has been quantified by obtaining the closed form expressions of outage probability.

研究动机与目标

• 为解决在蜂窝用户信道条件较差的情况下提升蜂窝网络性能的挑战。
• 实现从D2D设备的射频信号中进行能量采集，以支持可持续的绿色通信。
• 开发一种D2D用户选择协议，以同时最大化能量采集与可实现速率，用于中继选择。
• 分析在混合能量采集与频谱共享条件下，D2D用户数量增加对蜂窝与D2D中断性能的影响。
• 推导在所提协议下蜂窝与D2D链路的闭式中断概率表达式。

提出的方法

• 在D2D发射机上采用混合时隙切换与功率分配协议，以实现能量采集与信息传输的同时进行。
• 选择为蜂窝用户采集能量最多且可实现速率最高的D2D用户作为译码与转发（DF）中继。
• 在带内D2D范式中，采用正交时隙接入以减轻蜂窝与D2D传输之间的干扰。
• 利用统计信道模型推导出中断概率的闭式表达式，结合Nakagami-m衰落与指数分布。
• 系统模型包括一个基站（BS）、一个蜂窝用户（CU）以及N个D2D对，所选D2D用户通过双跳DF协议中继蜂窝信号。
• 对关键参数（如能量采集时隙占比α、功率分配因子ρ及目标数据速率）进行解析建模，以推导中断性能边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有能量采集的频谱共享环境中，D2D用户数量的增加如何影响蜂窝用户的中断性能？
• RQ2 在混合协议下，使蜂窝用户可实现速率最大化的最优能量采集时间（α）是多少？
• RQ3 功率分配因子（ρ）如何影响蜂窝与D2D链路的中断性能？
• RQ4 能量采集时间（α）的上限是多少？超过该值后，增加D2D用户数量将不再改善蜂窝中断性能？
• RQ5 能否为所提混合协议与用户选择方案下的蜂窝与D2D链路推导出中断概率的闭式表达式？

主要发现

• 由于选择具有足够采集能量与良好信道条件的D2D用户概率更高，蜂窝网络的中断概率随D2D用户数（N）增加而降低。
• 当ρ = 0.75时，能量采集时隙占比（α）的上限为α = 0.5；超过该值后，中断概率上升至1，因为BS与CU之间的直接链路丢失。
• 随着N增加，D2D网络的中断性能也得到改善，因为选择分集提高了选择高容量、高能量D2D中继的可能性。
• 推导出的中断概率闭式表达式（公式22）通过仿真得到验证，理论结果与仿真结果高度一致。
• 与固定时隙或固定功率分配方案相比，该混合协议通过实现时间与功率的非对称分配，优化了蜂窝与D2D用户的QoS性能。
• 该系统在仅使用单个正交信道进行蜂窝传输的条件下，实现了与使用多个正交信道的传统协作分集相当的中断性能。