[论文解读] On Information and Energy Cooperation in Energy Harvesting Cognitive Radio

Jeya Pradha J, Sanket S. Kalamkar+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2015

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 18被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在能量采集认知无线电网络中的联合信息与能量协作框架，其中次用户中继主用户数据，并从主用户获取能量以维持协作。该方案在保障双方用户速率及有限电池容量约束下，最大化主用户速率，结果表明，与仅信息协作相比，能量协作显著扩展了协作区域并提升了主用户速率。

ABSTRACT

This paper considers the cooperation between primary and secondary users at information and energy levels when both users are energy harvesting nodes. In particular, a secondary transmitter helps relaying the primary message, and in turn, gains the spectrum access as a reward. Also, the primary transmitter supplies energy to the secondary transmitter if the latter is energy-constrained, which facilitates an uninterrupted cooperation. We address this two-level cooperation over a finite horizon with the finite battery constraint at the secondary transmitter. While promising the rate-guaranteed service to both primary and secondary users, we aim to maximize the primary rate. We develop an iterative algorithm that obtains the optimal offline power policies for primary and secondary users. To acquire insights about the structure of the optimal solution, we examine specific scenarios. Furthermore, we investigate the effects of the secondary rate constraint and finite battery on the primary rate and the probability of cooperation. We show that the joint information and energy cooperation increases the chances of cooperation and achieves significant rate gains over only information cooperation.

研究动机与目标

• 解决能量采集认知无线电系统中次用户因缺能而无法中继主用户数据的不可靠协作问题。
• 在主用户与次用户之间引入双层次协作——同时进行信息与能量共享，以提升系统可靠性与频谱效率。
• 在有限时间窗内，最大化主用户数据速率，同时保障主用户与次用户均满足最小速率约束。
• 考虑次用户发射端有限的电池容量，该容量限制能量存储能力并影响协作的可持续性。
• 提出一种离线优化框架，以计算在耦合能量与信息约束下，双方用户的最优功率分配策略。

提出的方法

• 建立一个离线优化问题，以在联合信息与能量协作下最大化主用户速率，同时满足次用户速率约束与有限电池容量约束。
• 采用原始分解法分解耦合问题，迭代求解主用户与次用户发射端的最优功率分配。
• 对主用户与次用户节点的能量采集进行建模，采用概率性能量可用性（每时隙50%概率）模型，并引入主用户向次用户能量传输效率α。
• 采用有限时域框架，包含N个时隙，假设能量与信道状态在优化前已知（离线优化），从而可推导出最优策略。
• 引入能量因果性约束，确保次用户不会传输超过其累积能量（包括采集与接收自主用户的部分）。
• 使用[x]+表示法建模非负功率分配，以确保满足能量因果性与电池容量约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 与仅信息协作相比，联合信息与能量协作如何改善能量采集认知无线电中的可实现速率区域？
• RQ2 次用户速率约束对协作成功率及主用户速率有何影响？
• RQ3 次用户有限的电池容量如何影响协作的可行性与性能？
• RQ4 在何种信道与能量条件下，主用户与次用户之间会形成虚拟双向能量协作？
• RQ5 与仅信息协作相比，能量协作在多大程度上提升了主用户速率？

主要发现

• 联合信息与能量协作显著扩展了可实现速率区域，使次用户速率最高可达2.51 nats/slot/Hz，而仅信息协作时仅为1.06 nats/slot/Hz。
• 能量协作显著提升了协作概率，因为主用户能量传输可维持能量受限的次用户处于活跃状态，具备持续中继能力。
• 次用户有限的电池容量限制了能量协作的增益；电池容量越大，主用户速率增益越高，但超过某一容量后增益趋于饱和。
• 由于协作可靠性提升与持续中继能力增强，能量协作使主用户即使在次用户速率约束提高时，仍能实现更高数据速率。
• 当PT-PR链路优于ST-PR链路时，虚拟双向能量协作可能在特定采集能量与信道条件下出现。
• 在联合协作下，主用户速率显著高于仅信息协作，尤其在次用户电池容量较大且能量传输效率α较高时，增益更为明显。