[论文解读] Energy Harvesting Cooperative Networks: Is the Max-Min Criterion Still Diversity-Optimal?

Zhiguo Ding, H. Vincent Poor|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 22被引用 11

一句话总结

本文研究了能量获取协作网络中的用户调度问题，并表明在传统网络中最优的传统的最大-最小准则在能量获取网络中无法实现完全分集增益。研究发现，对于单个调度用户对，最大-最小准则仅能获得 (M+1)/2 的分集增益，而非最大可能的 M，这是由于在能量获取系统中，源-中继与中继-目的地信道的重要性不均等所致。本文提出了针对能量获取约束的新调度策略，并通过理论分析与仿真结果加以验证。

ABSTRACT

This paper considers a general energy harvesting cooperative network with M source-destination (SD) pairs and one relay, where the relay schedules only m user pairs for transmissions. For the special case of m = 1, the addressed scheduling problem is equivalent to relay selection for the scenario with one SD pair and M relays. In conventional cooperative networks, the max-min selection criterion has been recognized as a diversity-optimal strategy for relay selection and user scheduling. The main contribution of this paper is to show that the use of the max-min criterion will result in loss of diversity gains in energy harvesting cooperative networks. Particularly when only a single user is scheduled, analytical results are developed to demonstrate that the diversity gain achieved by the max-min criterion is only (M+1)/2, much less than the maximal diversity gain M. The max-min criterion suffers this diversity loss because it does not reflect the fact that the source-relay channels are more important than the relay-destination channels in energy harvesting networks. Motivated by this fact, a few user scheduling approaches tailored to energy harvesting networks are developed and their performance is analyzed. Simulation results are provided to demonstrate the accuracy of the developed analytical results and facilitate the performance comparison.

研究动机与目标

• 分析在中继通过射频信号获取能量的协作网络中，最大-最小选择准则的性能。
• 识别尽管在传统协作系统中最大-最小准则具有最优性，但在能量获取网络中为何无法实现完全分集增益的原因。
• 设计考虑能量获取场景中源-中继与中继-目的地信道重要性不对称性的新型用户调度策略。
• 推导在能量获取约束下，最大-最小准则的精确与渐近中断概率表达式。
• 将最大-最小准则的分集增益与理论最大值进行比较，并评估其他调度方案的性能。

提出的方法

• 构建一个包含 M 个源-目的地对和一个中继的通用能量获取协作网络模型，该中继调度 m 对用户进行传输。
• 利用顺序统计和对中断事件的细致分组，推导当 m=1 时最大-最小准则的精确中断概率。
• 对中断概率表达式进行渐近分析，以确定分集增益，重点关注信噪比（SNR）增大时的主导项。
• 利用包含贝塞尔函数的积分表示和级数展开，对小 SNR 情况下的中断概率进行近似。
• 提出一种新型调度方法，优先考虑源-中继信道质量，以反映其对中继能量与可靠性的更大影响。
• 通过仿真验证理论结果，比较在不同 SNR 和 M 值下最大-最小准则与所提方案的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 最大-最小选择准则在能量获取协作网络中是否仍为分集最优？
• RQ2 在具有能量获取中继的单用户调度场景中，最大-最小准则实际获得的分集增益是多少？
• RQ3 为何最大-最小准则在能量获取网络中无法实现完全分集增益？
• RQ4 源-中继与中继-目的地信道的相对重要性如何影响能量获取系统中的调度性能？
• RQ5 能否设计新型调度策略以恢复能量获取协作网络中损失的分集增益？

主要发现

• 在能量获取协作网络中，最大-最小准则仅能获得 (M+1)/2 的分集增益，远低于最大可能的分集增益 M。
• 分集损失的原因在于最大-最小准则对源-中继与中继-目的地信道进行对称处理，而前者由于能量获取约束更为关键。
• 渐近中断分析表明，主导中断项随 ε^M ln ε 变化，表明分集阶数为 M，但最大-最小准则仅因次优选择而实现 (M+1)/2 的分集增益。
• 当 m=1 时，利用顺序统计和涉及贝塞尔函数的复杂数学积分推导出精确中断概率，并进一步进行渐近展开。
• 所提出的优先选择强源-中继链路的调度策略在分集增益和中断性能方面均优于最大-最小准则。
• 仿真结果证实了理论分析结果，表明在高 SNR 区域，最大-最小准则的性能劣于能量感知调度方案。