[论文解读] Outage Probability of Energy Harvesting Relay-aided Cooperative Networks Over Rayleigh Fading Channel

Tao Li, Pingyi Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 7

一句话总结

本文分析了在瑞利衰落信道下，能量采集中继协作网络的中断性能，采用开关式能量供应模型来建模中继处的能量可用性。推导出了闭式中断概率表达式，表明尽管分集增益无法超过直接传输的分集增益（除非能量耗尽不可能发生），但可实现显著的乘法性能增益，尤其在能量耗尽概率较低时。

ABSTRACT

Energy harvesting technique is a potential way for relay node energy supply in cooperative networks in terms of deployment flexibility and maintain charge reduction. Unlike traditional power source, relay node in this case may run out of energy with certain probability, which can degrade the benefit from relay-aided cooperative transmission. In this paper, we concentrate on the outage behavior of cooperative networks aided by energy harvesting relay node in slow fading channel, and attempt to derive the closed-form expression of outage probability of proposed cooperative protocol. Compared with traditional direct transmission protocol, two conclusions are derived: 1) the diversity gain cannot be increased excepting the extreme case that energy-exhausted probability is zero; 2) a multiplicative gain for improving system performance can be obtained in terms of minimizing outage probability.

研究动机与目标

• 评估在慢瑞利衰落信道中使用能量采集中继的协作网络的中断性能。
• 利用开关模型对由于能量采集波动导致的中继处随机能量可用性进行建模。
• 将能量采集中继协作的中断性能与传统直接传输和恒定功率中继系统进行比较。
• 量化时间/频率资源使用增加与中断概率性能增益之间的权衡。

提出的方法

• 采用开关式能量供应模型来表示中继节点处采集能量的随机可用性。
• 系统工作在两个时隙：第一个用于源到中继的传输，第二个用于中继到目的地的重传。
• 通过考虑中继处能量耗尽的概率以及可靠通信的信噪比阈值，推导出中断概率的闭式表达式。
• 分析假设为慢衰落，所有节点均具备完美的信道状态信息，且信道增益服从瑞利分布。
• 推导出的中断概率表达式明确依赖于能量耗尽概率 $p_{ex}$，该参数捕捉了能量供应的可靠性。
• 与直接传输和恒定功率中继系统进行理论比较，以评估性能增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 与直接传输相比，中继处的能量采集是否能改善协作网络的中断性能？
• RQ2 在瑞利衰落信道中，能量采集中继能否实现超过直接传输的分集增益？
• RQ3 能量耗尽概率 $p_{ex}$ 如何影响协作系统的中断概率？
• RQ4 使用能量采集中继时，中断概率性能增益的本质是什么？
• RQ5 协作传输中使用能量采集中继所带来的性能增益是否足以抵消时间/频率资源使用增加的影响？

主要发现

• 当 $p_{ex} = 0$ 的极端情况外，能量采集中继协作系统的分集增益保持为1，与直接传输相同，此时分集增益为2。
• 当 $p_{ex} = 0$ 时，系统表现如同采用恒定功率的常规放大转发协作网络，实现分集增益为2。
• 与直接传输相比，即使分集增益未提升，仍可实现中断概率的乘法性能增益，且该增益与 $p_{ex}$ 成正比。
• 当 $p_{ex} = 0.1$ 时，中断概率可降低一个数量级，表明在实际信噪比范围内性能显著提升。
• 当 $p_{ex} \in [10^{-3}, 1]$ 时，性能增益最为显著，表明设计良好的能量采集系统可实现显著的中断性能增益。
• 结果证实，在慢衰落信道中，采用能量采集中继既可行又具有优势，尤其当通过有效的能量存储与采集设计使 $p_{ex}$ 保持较低时。