[论文解读] Wireless Information and Power Transfer in Cooperative Networks with Spatially Random Relays

Zhiguo Ding, Ioannis Krikidis+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 15被引用 10

一句话总结

本文利用随机几何方法，研究了在空间随机分布中继的协作网络中，基于无线信息与能量传输（SWIPT）的中继选择策略。针对单源场景，提出了三种中继选择策略，并将多源中继分配建模为合作形成博弈。主要发现为：能量采集中继可实现与传统中继相同的分集增益，但由于能量采集约束，其中断概率更高。

ABSTRACT

In this paper, the application of wireless information and power transfer to cooperative networks is investigated, where the relays in the network are randomly located and based on the decode-forward strategy. For the scenario with one source-destination pair, three different strategies for using the available relays are studied, and their impact on the outage probability and diversity gain is characterized by applying stochastic geometry. By using the assumptions that the path loss exponent is two and that the relay-destination distances are much larger than the source-relay distances, closed form analytical results can be developed to demonstrate that the use of energy harvesting relays can achieve the same diversity gain as the case with conventional self-powered relays. For the scenario with multiple sources, the relays can be viewed as a type of scarce resource, where the sources compete with each other to get help from the relays. Such a competition is modeled as a coalition formation game, and two distributed game theoretic algorithms are developed based on different payoff functions. Simulation results are provided to confirm the accuracy of the developed analytical results and facilitate a better performance comparison.

研究动机与目标

• 分析空间随机中继位置对SWIPT协作网络中断概率与分集增益的影响。
• 在能量采集约束下，为单个源-目的地对设计并比较三种中继选择策略。
• 利用合作形成博弈对多源之间有限能量采集中继的竞争进行建模与求解。
• 评估在能量采集约束下，中继分配中系统开销与性能之间的权衡。

提出的方法

• 利用随机几何方法建模中继位置的空间随机性，并推导信道密度函数。
• 采用解码与转发协议，中继具备能量采集能力，假设路径损耗指数为2，且中继-目的地距离远大于源-中继距离。
• 提出三种中继选择策略：随机选择、最佳中继选择，以及需要完整信道状态信息的CSI-based策略。
• 将多源中继分配建模为合作形成博弈，基于不同收益函数设计分布式算法。
• 引入代价系数κ以建模合作形成中的协调开销，影响中继选择与系统性能。
• 通过仿真验证分析结果，并评估在不同参数下的收敛性与性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在空间随机部署中继的协作网络中，能量采集中继是否可实现与传统自供电中继相同的分集增益？
• RQ2 在能量采集约束下，中继选择策略的选择如何影响中断概率与系统可靠性？
• RQ3 协调开销（通过代价系数κ建模）对多源协作网络中继分配的性能与收敛性有何影响？
• RQ4 当中继从源信号中采集能量时，中继的空间分布如何影响中断性能？
• RQ5 在能量采集协作网络中，将中继部署在靠近源端还是目的端更有利？

主要发现

• 能量采集中继可实现与传统中继相同的分集增益，表明SWIPT在协作网络中不会损害分集阶数。
• 采用能量采集中继时，中断概率以 log(SNR)/SNR² 的速率衰减，慢于传统协作网络中的 1/SNR² 衰减速率。
• 所提出的合作形成算法收敛迅速，显著降低了多源中继分配场景下的延迟与计算复杂度。
• 提高代价系数κ会减少平均合作体规模，导致因每源可用中继减少而使中断概率上升。
• 当κ ≈ 0.001时，中断概率对κ高度敏感；但当κ ≥ 0.01时，性能趋于平坦，表明在高开销区域性能达到平台期。
• 同时SWIPT策略比分离策略更具能量效率，因其充分利用了源端广播信号同时传输信息与能量。