[论文解读] Power Splitting for Full-Duplex Relay with Wireless Information and Power Transfer

Hongwu Liu, Kyeong Jin Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 20被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种用于全双工中继的动态功率分配方案，通过从射频信号中采集能量以支持同时信息与能量传输。通过利用完整或部分信道状态信息（CSI）优化功率分配比例，该方案最小化了中断概率，其中基于部分CSI的方法在降低反馈开销的同时实现了接近最优的性能，尤其当中继靠近接收端时表现更优。

ABSTRACT

This paper investigates power splitting for full-duplex relay networks with wireless information and energy transfer. By applying power splitting as a relay transceiver architecture, the full duplex information relaying can be powered by energy harvested from the source-emitted radio frequency signal. In order to minimize outage probability, power splitting ratios have been dynamically optimized according to full channel state information (CSI) and partial CSI, respectively. Under strong loop interference, the proposed full CSI-based and partial CSI-based power splitting schemes achieve the better outage performance than the fixed power splitting scheme, whereas the partial CSI-based power splitting scheme can ensure competitive outage performance without requiring CSI of the second-hop link. It is also observed that the worst outage performance is achieved when the relay is located midway between the source and destination, whereas the outage performance of partial CSI-based power splitting scheme approaches that of full CSI-based scheme when the relay is placed close to the destination.

研究动机与目标

• 为解决无线网络中能量受限的全双工中继问题，通过射频信号实现同时信息与能量传输。
• 最小化因强环路干扰和能量供应有限而退化的全双工中继网络中的中断概率。
• 设计基于完整或部分CSI动态适应信道条件的功率分配方案，以提升频谱与能量效率。
• 评估反馈开销与中断性能之间的权衡，特别是在CSI知识有限的情况下。
• 确定在不同干扰与信噪比（SNR）条件下，最小化中断概率的最优中继位置与功率分配比例。

提出的方法

• 在全双工中继处采用功率分配（PS）架构，利用功率分配比例ρ将接收到的射频信号划分为信息与能量采集流。
• 将中继建模为放大转发（AF）节点，利用采集到的能量对源信号进行放大与重传，残余环路干扰建模为环路信道f的函数。
• 基于ρ、源端功率、路径损耗以及信道增益，推导出采集到的能量，其中使用能量转换效率η。
• 利用完整CSI（掌握h、g、f）与部分CSI（仅掌握h与f）优化功率分配比例ρ，以最小化中断概率。
• 采用高SINR近似方法，推导出动态PS下的有效信干噪比（e-SINR），用于性能分析。
• 采用基于RTS/CTS的信道估计协议，实现在中继端获取CSI，以支持动态自适应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强环路干扰条件下，基于完整CSI的动态功率分配与固定功率分配相比，其中断性能如何？
• RQ2 基于部分CSI的功率分配方案是否能在降低反馈开销的同时实现接近最优的中断性能？
• RQ3 中继位置如何影响中断概率？完整与部分CSI方案之间的性能差距是否随中继位置变化？
• RQ4 环路干扰与源端SNR对动态与固定功率分配之间性能增益的影响是什么？
• RQ5 在何种条件下，基于部分CSI的方案会优于或趋近于基于完整CSI的方案？

主要发现

• 在中断概率为10⁻¹时，基于完整CSI的功率分配方案相较于固定ρ = 0.7、0.5与0.3，分别实现了约5.5 dB、4.5 dB与3.5 dB的INR增益。
• 基于部分CSI的方案在中断性能上非常接近基于完整CSI的方案，尤其当中继靠近接收端时，高SNR场景下的性能差距小于1 dB。
• 当中继位于源与接收端正中间时，中断性能最差，原因在于路径损耗与干扰达到平衡。
• 在中断概率为10⁻²时，基于完整CSI的方案相较于固定ρ = 0.7、0.5与0.3，分别实现了4.5 dB、3 dB与1.8 dB的SNR增益。
• 当中继靠近接收端时，由于环路干扰与采集能量在决定e-SINR中占主导地位，基于部分CSI的方案略优于基于完整CSI的方案。
• 基于部分CSI的方案相比基于完整CSI的方案显著降低了反馈开销，使其在反馈受限的实时系统中更具实用性。