[论文解读] Wireless Information and Power Transfer for Multi-Relay Assisted Cooperative Communication

Yuan Liu|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 22被引用 10

一句话总结

本文提出了一种用于多中继协作网络的分布式功率分配方案，以实现同时无线信息与能量传输（SWIPT），并优化中继节点的能量采集与信息解码。通过联合最大化端到端速率的凸优化方法，所提出的 decode-and-forward（DF）与 amplify-and-forward（AF）协议在高信噪比（SNR）区域显著优于传统的最佳中继选择与时隙切换方案。

ABSTRACT

In this paper, we consider simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in multi-relay assisted two-hop relay system, where multiple relay nodes simultaneously assist the transmission from source to destination using the concept of distributed space-time coding. Each relay applies power splitting protocol to coordinate the received signal energy for information decoding and energy harvesting. The optimization problems of power splitting ratios at the relays are formulated for both decode-and-forward (DF) and amplify-and-forward (AF) relaying protocols. Efficient algorithms are proposed to find the optimal solutions. Simulations verify the effectiveness of the proposed schemes.

研究动机与目标

• 通过射频信号实现同时信息与能量传输，解决协作网络中能量受限中继节点的挑战。
• 制定并求解多个中继节点的功率分配比例优化问题，以在解码转发（DF）与放大转发（AF）协议下最大化端到端传输速率。
• 设计一种分布式算法，使每个中继能够仅使用本地信道状态信息独立计算其最优功率分配比例。
• 证明在频谱效率与能量效率方面，功率分配优于时隙切换方案，且在高SNR区域优于最佳中继选择方案。

提出的方法

• 建立一个两跳中继网络模型，包含一个源节点、多个中继节点和一个目的节点，假设源节点与目的节点之间无直接链路。
• 在每个中继节点采用功率分配技术，将接收到的射频信号分为两路：一路用于信息解码，另一路用于能量采集。
• 将端到端速率最大化问题建模为DF与AF协议下的分数规划问题。
• 通过变量替换 $ x_i = \alpha_i / \phi_2(\alpha_i) $, $ y_i = 1 / \phi_2(\alpha_i) $，将非凸优化问题转化为凸问题，从而可利用内点法高效求解。
• 推导出分布式算法，使每个中继仅使用其本地信道增益 $ h_i $ 与 $ g_i $ 独立计算其最优 $ \alpha_i^* $，无需集中式控制。
• 采用凸松弛与变换技术，确保解的全局收敛性与计算效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多中继SWIPT系统中，如何联合优化多个中继节点的功率分配比例以最大化端到端速率？
• RQ2 与传统最佳中继选择相比，分布式功率分配在多中继协作网络中的性能增益如何？
• RQ3 在不同SNR区域下，功率分配与时隙切换在频谱效率方面的表现有何差异？
• RQ4 能否在无集中协调的情况下以分布式方式计算最优功率分配比例？
• RQ5 中继的空间分集增益与能量采集能力对SWIPT协作网络系统吞吐量有何影响？

主要发现

• 所提出的DF与AF方案在优化功率分配比例后，显著优于传统最佳中继选择（BRS）方案，在不增加源端发射功率的前提下实现了更高的端到端速率。
• 所提方案相对于BRS的性能增益源于利用多个中继的空间分集增益，并通过同一源信号同时实现信息与能量传输。
• 在高SNR区域，功率分配优于时隙切换；而在低SNR区域，时隙切换表现更优，与单中继系统中的已有结论一致。
• 所提出的优化框架支持分布式计算最优功率分配比例，每个中继仅使用本地信道状态信息即可独立计算其 $ \alpha_i^* $。
• 通过变量替换对非凸问题进行凸重构，使得可利用内点法高效求解并获得全局最优解。
• 仿真结果表明，所提方案在极低信令开销下即可实现接近最优的性能，适用于能量受限中继网络的实际部署。