[论文解读] Incremental Accumulate-then-Forward Relaying in Wireless Energy Harvesting Cooperative Networks

Ziyi Li, He Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于无线能量采集协作网络的增量式积累-转发（IATF）中继协议，其中译码-转发中继从源节点采集射频能量，并仅在必要时协作以改善中断性能。通过将中继电池建模为有限状态马尔可夫链，作者推导出中断概率的闭式表达式，并表明IATF显著优于无协作的直接传输。

ABSTRACT

This paper investigates a wireless energy harvesting cooperative network (WEHCN) consisting of a source, a decode-and-forward (DF) relay and a destination. We consider the relay as an energy harvesting (EH) node equipped with EH circuit and a rechargeable battery. Moreover, the direct link between source and destination is assumed to exist. The relay can thus harvest and accumulate energy from radio-frequency signals ejected by the source and assist its information transmission opportunistically. We develop an incremental accumulate-then-forward (IATF) relaying protocol for the considered WEHCN. In the IATF protocol, the source sends its information to destination via the direct link and requests the relay to cooperate only when it is necessary such that the relay has more chances to accumulate the harvested energy. By modeling the charging/discharging behaviors of the relay battery as a finite-state Markov chain, we derive a closed-form expression for the outage probability of the proposed IATF. Numerical results validate our theoretical analysis and show that the IATF scheme can significantly outperform the direct transmission scheme without cooperation.

研究动机与目标

• 通过在中继节点实现能量采集，解决协作中继网络中的能量稀缺问题。
• 通过智能管理中继协作，降低无线能量采集协作网络（WEHCN）中的中断概率。
• 设计一种协议，使中继仅在累积足够能量时才机会性地协作。
• 将中继的能量充放电行为建模为有限状态马尔可夫链，以实现精确的性能分析。
• 推导在所提协议下中断概率的闭式表达式。

提出的方法

• 设计一种增量式积累-转发（IATF）中继协议，中继仅在能量水平足够时才协作。
• 将中继的电池充放电过程建模为有限状态马尔可夫链，以捕捉能量随时间的变化动态。
• 通过分析直连链路与中继辅助链路的联合行为，推导IATF协议的中断概率。
• 利用马尔可夫链模型和系统级传输约束，推导中断概率的闭式表达式。
• 通过比较中断概率和能量效率，评估IATF的性能，与直接传输进行对比。
• 利用数值结果验证理论分析，并证明IATF在性能上优于非协作传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在无线能量采集网络中调度中继协作，以在满足能量约束的前提下最小化中断概率？
• RQ2 能量累积和电池动态对协作中继中断性能有何影响？
• RQ3 当中继在能量采集约束下运行时，能否推导出中断概率的闭式表达式？
• RQ4 所提出的IATF协议与直接传输相比，在可靠性和能量效率方面有何差异？
• RQ5 在WEHCN中，何种最优协作策略能平衡能量累积与传输可靠性？

主要发现

• IATF协议通过仅在中继累积足够采集能量时才实现机会性协作，显著降低了中断概率，相比直接传输具有优势。
• 利用中继电池充放电行为的有限状态马尔可夫链模型，推导出了IATF方案的中断概率闭式表达式。
• 数值结果证实了理论分析，表明IATF在可靠性与能量利用方面优于直接传输。
• 该协议提高了中继在协作前积累能量的机会，从而在不依赖持续能量供应的情况下提升了系统可靠性。
• 马尔可夫链模型准确捕捉了中继的能量动态，使在实际能量约束下的性能评估更加精确。
• 所提方案在中断性能方面优于非协作传输，尤其在低信噪比（SNR）区域，此时能量采集至关重要。