[论文解读] Wireless-Powered Cooperative Communications via a Hybrid Relay

He Chen, Xiangyun Zhou+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文提出两种协作协议——能量协作（E-C）与双重协作（D-C）——用于无线供能网络，其中源节点从混合接入点（AP）获取射频（RF）能量，并通过中继实现上行链路传输。通过联合优化下行链路能量传输与上行链路信息传输的时间与功率分配，E-C协议在高信噪比（SNR）下优于D-C协议，尤其当中继远离源节点时；而D-C协议在低SNR场景下、中继位置较近时表现更优。

ABSTRACT

In this paper, we consider a wireless-powered cooperative communication network, which consists of a hybrid access-point (AP), a hybrid relay, and an information source. In contrast to the conventional cooperative networks, the source in the considered network is assumed to have no embedded energy supply. Thus, it first needs to harvest energy from the signals broadcast by the AP and/or relay, which have constant power supply, in the downlink (DL) before transmitting the information to the AP in the uplink (UL). The hybrid relay can not only help to forward information in the UL but also charge the source with wireless energy transfer in the DL. Considering different possible operations of the hybrid relay, we propose two cooperative protocols for the considered network. We jointly optimize the time and power allocation for DL energy transfer and UL information transmission to maximize the system throughput of the proposed protocols. Numerical results are presented to compare the performance of the proposed protocols and illustrate the impacts of system parameters.

研究动机与目标

• 为解决协作网络中能量受限源节点的挑战，通过来自混合AP的无线能量传输（WET）与中继协作来实现。
• 设计两种新型协作协议——E-C与D-C，其中混合中继同时执行能量传输与信息转发。
• 通过联合优化下行链路能量传输与上行链路信息传输的时间与功率分配，最大化系统吞吐量。
• 基于网络条件（如SNR与中继位置）提供关于两种协议在何种情况下更优的性能洞察。

提出的方法

• 提出两种协议：E-C中，中继在下行链路为源节点充电，并在上行链路转发其数据；D-C中，中继在不同时隙间交替执行充电与转发。
• 采用半双工、单天线、线性拓扑的系统模型，假设瑞利衰落信道及路径损耗指数α ∈ [2,5]。
• 推导在峰值功率与平均功率约束下，以时间与功率分配为联合变量的吞吐量最大化优化问题。
• 通过解析方法缩小搜索区间后，采用一维穷举搜索求解优化问题，确保计算效率。
• 采用信道模型 E{hXY} = 10⁻³(dXY)^{-α} 以捕捉路径损耗效应，并假设能量采集效率为50%。
• 基于5000次信道快衰落样本的平均结果，分析不同平均发射功率、中继距离及峰值-平均功率比（μ）下的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在系统吞吐量方面，E-C协议在何种条件下优于D-C协议？
• RQ2 中继位置（距源节点的距离）如何影响两种协议的性能？
• RQ3 平均发射功率与峰值-平均功率比（μ）对协议最优性能有何影响？
• RQ4 能量传输与信息转发时间分配之间的权衡如何影响系统吞吐量？
• RQ5 在何种SNR条件下，每种协议能实现更优性能？

主要发现

• 在高SNR下，E-C协议的吞吐量高于D-C协议，尤其当中继远离源节点时表现更优。
• 当中继靠近源节点时，D-C协议在低至中等SNR范围内优于E-C协议。
• 随着μ增大，吞吐量单调下降，因为峰值发射功率减小，导致可行功率分配空间受限。
• 随着源-中继距离（dSR）增加，两种协议的平均吞吐量均平滑下降，表明中继位置越近，性能越好。
• 在高SNR（2 W发射功率）下，除非中继非常靠近源节点，否则E-C优于D-C；在低SNR（0.4 W）下，D-C在dSR较大前始终占优。