[论文解读] Wireless Information and Power Transfer in Two-Way Amplify-and-Forward Relaying Channels

Zhiyong Chen, Biao Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 7被引用 15

一句话总结

本文提出了一种用于双向放大--forward中继网络的无线信息与能量传输协议，其中能量采集中继利用来自两个源的射频信号同时实现能量采集与数据转发。主要贡献在于推导出精确的中断概率、遍历容量以及有限信噪比下的分集-复用权衡（DMT），并给出了紧密的闭式边界，表明在不额外消耗资源的情况下性能得到提升。

ABSTRACT

The various wireless networks have made the ambient radio frequency signals around the world. Wireless information and power transfer enables the devices to recycle energy from these ambient radio frequency signals and process information simultaneously. In this paper, we develop a wireless information and power transfer protocol in two-way amplify-and-forward relaying channels, where two sources exchange information via an energy harvesting relay node. The relay node collects energy from the received signals and uses it to provide the transmission power to forward the received signals. We analytically derive the exact expressions of the outage probability, the ergodic capacity and the finite-SNR diversity-multiplexing trade-off (DMT). Furthermore, the tight closed-form upper and lower bounds of the outage probability and the ergodic capacity are then developed. Moreover, the impact of the power splitting ratio is also evaluated and analyzed. Finally, we show that compared to the non-cooperative relaying scheme, the proposed protocol is a green solution to offer higher transmission rate and more reliable communication without consuming additional resource.

研究动机与目标

• 设计一种绿色、能量采集型双向中继协议，实现无需外部电源的并发信息与能量传输。
• 在瑞利衰落信道下分析此类系统的性能极限，给出关键性能指标的精确表达式。
• 评估通过功率分配比实现能量采集与信号转发之间的权衡。
• 证明所提出的协议在不消耗额外频谱、时间或能量资源的前提下，相比非协作中继具有更高的可靠性和频谱效率。

提出的方法

• 采用半双工双向放大-转发（AF）中继协议，两个源通过单个能量采集中继交换数据。
• 在中继端采用功率分配模型，其中接收射频信号功率的分数 λ 被分配用于能量采集，其余部分用于信息处理。
• 推导中继处的采集能量为 $ Q = \eta\lambda(P_1|h_1|^2 + P_2|h_2|^2)/2 $，其中 $ \eta $ 为能量转换效率。
• 基于采集的能量，将中继的发射功率建模为 $ P_r = \eta\lambda(P_1|h_1|^2 + P_2|h_2|^2) $。
• 分析每个源端的端到端信干噪比（SINR），其由级联信道增益和噪声决定。
• 应用特殊函数（如修正贝塞尔函数 $ \mathcal{K}_1 $）和积分近似方法，推导出中断概率与遍历容量的精确及紧密闭式边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中断概率与遍历容量方面，与非协作中继相比，能量采集型双向AF中继系统的性能如何？
• RQ2 在瑞利衰落信道下，能量采集型双向AF中继系统的中断概率与遍历容量的精确表达式是什么？
• RQ3 功率分配比 λ 如何影响能量采集与传输质量之间的权衡？
• RQ4 所提协议的有限信噪比分集-复用权衡（DMT）是什么？与传统方案相比有何差异？
• RQ5 能否为中断概率与遍历容量推导出紧密的闭式上下界，以支持实际性能评估？

主要发现

• 利用修正贝塞尔函数 $ \mathcal{K}_1 $ 推导出精确的中断概率，其闭式表达式包含信道增益与噪声方差。
• 通过包含合流超几何函数 $ \Psi $ 的级数展开分析遍历容量，实现精确的性能评估。
• 为中断概率与遍历容量分别建立了紧密的闭式上下界，显著提升了分析的可处理性。
• 推导出有限信噪比下的分集-复用权衡（DMT），表明系统在不增加资源成本的情况下实现了分集增益。
• 功率分配比 λ 的影响非平凡：用于采集的能量过多会降低转发增益，而过少则限制能量供应，从而存在一个最优权衡点。
• 与非协作中继相比，所提协议在不消耗额外频谱、时间或能量资源的前提下，实现了更高的遍历容量与更优的中断性能。