[论文解读] On Wireless Energy and Information Transfer in Relay Networks

Mahdi Haghifam, Behrooz Makki+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 35被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种在中继网络中优化无线能量与信息传输的方案，其中中继节点从源节点的射频信号中获取能量。通过推导在能量约束下最优时间与功率分配的闭式表达式，该方案最小化了中断概率，并表明在完美信道状态信息（CSI）条件下，采用机会中继的系统可实现 (N+1)/2 的分集增益，其中 N 为中继数量。

ABSTRACT

This paper investigates the outage probability and the throughput of relay networks with wireless information and energy transfer where the relays harvest energy from the transmitted radio-frequency signal of the source. Considering different power consumption models, we derive the outage probability for both adaptive and non-adaptive power allocations at the relay. With a total energy consumption constraint at the source, we provide closed-form expressions for the optimal time sharing and power allocation between the source energy and information transfer signals as well as the optimal relay positioning such that the outage probability is minimized. Finally, we extend our analysis to multi-relay networks. We show that with perfect channel state information (CSI) available at the relays and $N$ relays the opportunistic relaying scheme achieves diversity order of $\frac{N+1}{2}$. Also, we analyze the opportunistic relaying with partial CSI where either the source-relay or the relay-destination CSI is provided at its corresponding transmit terminal, and prove that the relay selection based on the source-relay CSI outperforms the relay selection based on the relay-destination CSI, in terms of outage probability. The analytical and simulation results demonstrate the efficiency of wireless energy and information transfer systems in different conditions.

研究动机与目标

• 分析从射频信号中获取能量的中继网络中的中断概率与吞吐量。
• 在总能量消耗约束下，解决源节点在能量与信息传输之间的权衡问题。
• 确定最优的时间复用、功率分配与中继位置，以最小化中断概率。
• 将分析扩展至具有机会中继的多中继网络，并在完美与部分信道状态信息（CSI）条件下进行研究。

提出的方法

• 推导了中继采用自适应与非自适应功率分配时中断概率的闭式表达式。
• 将源节点的总能量消耗建模为约束条件，联合优化能量与信息信号的时间复用与功率分配。
• 将中继位置作为优化变量，以在能量采集约束下最小化中断概率。
• 采用机会中继分析多中继网络，在完美CSI条件下推导出 (N+1)/2 的分集增益。
• 在部分CSI条件下，比较基于源-中继CSI与中继-目的地CSI的中继选择策略，以中断概率作为性能度量。
• 通过理论推导与仿真验证所提方案在不同网络条件下的效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在总能量约束下，源节点在能量与信息传输之间应如何最优分配时间与功率，以最小化中断概率？
• RQ2 中继位置如何影响能量采集中继网络中的中断性能？
• RQ3 当中继具备完美CSI时，使用 N 个中继的机会中继可实现多高的分集增益？
• RQ4 在部分CSI条件下，基于源-中继CSI的中继选择策略与基于中继-目的地CSI的策略相比，哪种能获得更低的中断概率？

主要发现

• 推导出在能量约束下，源节点在能量与信息信号之间最优时间复用与功率分配的闭式表达式，从而最小化中断概率。
• 结果表明，最优中继位置可显著降低中断概率，性能增益取决于信道条件与能量采集效率。
• 在完美CSI条件下，机会中继利用 N 个中继可实现 (N+1)/2 的分集增益，表明随着中继数量增加，系统可靠性得到提升。
• 在部分CSI条件下，基于源-中继信道状态信息的中继选择策略在中断概率方面优于基于中继-目的地CSI的策略。
• 理论分析与仿真结果共同证实了所提无线能量与信息传输框架在各种网络配置下的高效性与鲁棒性。