[论文解读] RF-based Energy Harvesting in Decode-and-Forward Relaying Systems: Ergodic and Outage Capacities

Yanju Gu, Sonia Aı̈ssa|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 34被引用 13

一句话总结

本文提出了一种在解码与转发中继系统中利用射频（RF）能量采集的方案，其中中继节点从信息信号和同频干扰信号中同时采集能量以供传输。采用时隙开关（TS）和功率分配（PS）协议，推导了遍历容量和中断容量，结果表明在高信噪比（SNR）下PS优于TS，而在低SNR下TS更优；容量排序取决于干扰信号的分布情况，等功率分配时性能最差，单一干扰源时性能最佳。

ABSTRACT

Radio-frequency energy harvesting constitutes an effective way to prolong the lifetime of wireless networks, wean communication devices off the battery and power line, benefit the energy saving and lower the carbon footprint of wireless communications. In this paper, an interference aided energy harvesting scheme is proposed for cooperative relaying systems, where energy-constrained relays harvest energy from the received information signal and co-channel interference signals, and then use that harvested energy to forward the correctly decoded signal to the destination. The time-switching scheme (TS), in which the receiver switches between decoding information and harvesting energy, as well as the power-splitting scheme (PS), where a portion of the received power is used for energy harvesting and the remaining power is utilized for information processing, are adopted separately. Applying the proposed energy harvesting approach to a decode-and-forward relaying system with the three-terminal model, the analytical expressions of the ergodic capacity and the outage capacity are derived, and the corresponding achievable throughputs are determined. Comparative results are provided and show that PS is superior to TS at high signal-to-noise ratio (SNR) in terms of throughput, while at low SNR, TS outperforms PS. Furthermore, considering different interference power distributions with equal aggregate interference power at the relay, the corresponding system capacity relationship, i.e., the ordering of capacities, is obtained.

研究动机与目标

• 为解决无线网络中中继节点的能量受限问题，使其能够从信息信号和同频干扰信号中采集射频能量。
• 评估在解码与转发中继系统中，两种能量采集协议——时隙开关（TS）和功率分配（PS）——的性能表现。
• 推导遍历容量和中断容量的解析表达式，以确定系统可实现的吞吐量。
• 研究在总干扰功率固定条件下，干扰功率分布对系统容量的影响。
• 比较不同SNR区域和干扰场景下TS与PS协议的吞吐量性能。

提出的方法

• 系统采用三节点解码与转发中继模型，中继节点从源信号与同频干扰（CCI）信号的叠加信号中采集能量。
• 分析了两种能量采集协议：时隙开关（TS），即中继在时间上交替进行解码与能量采集；功率分配（PS），即接收信号功率的一部分被分离用于能量采集，另一部分用于信息解码。
• 在瑞利衰落信道下，通过解析方法推导了遍历容量和中断容量，以量化可实现的吞吐量。
• 利用极大化理论研究干扰功率分布的影响，通过舒尔凸性对干扰向量进行排序，以确定容量排序关系。
• 推导了在遍历容量和中断容量约束下，最大化吞吐量的最优时间与功率分配比例。
• 通过仿真比较了不同SNR水平和干扰分布下的吞吐量性能，验证了理论分析结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在射频能量采集的解码与转发中继系统中，时隙开关（TS）与功率分配（PS）协议在可实现吞吐量方面的性能如何比较？
• RQ2 在总干扰功率保持不变的条件下，干扰功率分布对系统容量有何影响？
• RQ3 在何种SNR条件下，PS协议在遍历容量和中断容量方面优于TS？
• RQ4 当干扰信号在多个干扰源之间不均等分配与均等分配时，系统容量如何变化？
• RQ5 在不同干扰功率分布下，系统的容量排序如何？哪种分布性能最佳，哪种最差？

主要发现

• 在高SNR下，功率分配（PS）协议由于最优功率分配带来的信噪比（SNR）退化最小，其最优遍历容量和中断容量均高于时隙开关（TS）协议。
• 在低SNR下，时隙开关（TS）协议在最优中断吞吐量方面优于PS，因为PS导致信号功率不足，引发显著解码错误。
• 遍历容量和中断容量均为干扰功率分布向量的舒尔凸函数，意味着当干扰功率分布趋于均匀时，系统容量下降。
• 当所有干扰信号在中继处接收功率相等时，系统容量性能最差；而当仅存在一个干扰源时，性能最佳。
• 在总干扰功率固定条件下，当干扰能量集中于单一源时，系统容量最大；当功率在多个干扰源间均等分配时，容量最小。
• 通过仿真验证了遍历容量和中断容量的理论表达式，结果在不同SNR和干扰配置下与理论推导高度一致。