[论文解读] Wireless-powered relaying with finite block-length codes

Mahdi Haghifam, Behrooz Makki+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 13被引用 17

一句话总结

本文研究了使用有限块长码的无线能量与信息传输放大转发中继网络，针对时隙开关中继（TSR）和功率分割中继（PSR）协议，提出了中断概率和吞吐量的紧致近似。主要发现是：在给定数据速率下，存在一个最优码字长度可使吞吐量最大化；TSR在大多数情况下具有比PSR更低的中断概率，尽管在最优功率分配设置下PSR能提供更高的吞吐量。

ABSTRACT

This paper studies the outage probability and the throughput of amplify-and-forward relay networks with wireless information and energy transfer. We use some recent results on finite block-length codes to analyze the system performance in the cases with short codewords. Specifically, the time switching relaying and the power splitting relaying protocols are considered for energy and information transfer. We derive tight approximations for the outage probability/throughput. Then, we analyze the outage probability in asymptotically high signal-to-noise ratios. Finally, we use numerical results to confirm the accuracy of our analysis and to evaluate the system performance in different scenarios. Our results indicate that, in delay-constrained scenarios, the codeword length affects the outage probability/throughput of the joint energy and information transfer systems considerably.

研究动机与目标

• 为解决在短码字约束下使用香农容量公式时能量采集中继网络的性能差距问题。
• 对使用有限块长码的放大转发中继网络中的中断概率和吞吐量进行建模与分析。
• 在有限块长条件下，比较时隙开关中继（TSR）和功率分割中继（PSR）协议的性能。
• 识别出可最大化吞吐量并最小化中断概率的最优系统参数，如码字长度、时间/功率分割因子等。
• 通过多种信噪比（SNR）和块长范围的数值结果验证分析近似结果。

提出的方法

• 采用文献[9]中最近提出的有限块长容量近似方法，以建模短码字下的可实现速率。
• 推导出TSR和PSR协议下中断概率的紧致闭式近似（引理2和引理3）。
• 应用高信噪比渐近分析，以表征信噪比增加时的中断行为，表明其随log(SNR)/SNR线性下降。
• 将系统吞吐量建模为码字长度、信噪比（SNR）和能量分割因子（PSR中的α，TSR中的θ）的函数。
• 通过多种场景下的数值仿真验证分析结果，包括不同SNR、块长和分割因子。
• 将有限块长性能分析扩展至与渐近长码字结果的比较，表明在高SNR下二者高度一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限块长如何影响无线供能放大转发中继网络中的中断概率和吞吐量？
• RQ2 对于给定的信息速率（以纳特计），使系统吞吐量最大化的最优码字长度是什么？
• RQ3 在有限块长条件下，时隙开关中继（TSR）与功率分割中继（PSR）协议在中断概率和吞吐量方面的表现如何比较？
• RQ4 中断概率在高信噪比下的行为特征是什么？其与信噪比和块长的缩放关系如何？
• RQ5 功率分割因子（α）和时隙开关因子（θ）如何影响系统性能？其最优值是什么？

主要发现

• 对于固定信息纳特数（K），存在一个最优有限码字长度L，可使系统吞吐量最大化，表明码率与译码可靠性之间存在权衡。
• 在高信噪比区域，中断概率随log(SNR)/SNR线性下降，证实了在有限块长下具有可预测的缩放特性。
• 在广泛系统参数范围内，时隙开关中继（TSR）的中断概率低于功率分割中继（PSR）。
• 当功率分割因子α被最优选择时，功率分割中继（PSR）在吞吐量方面优于TSR，这是由于其在能量与信息分割中具有更高的频谱效率。
• 引理3中的分析近似在L ≥ 200时与数值结果高度吻合，而引理2在低能量采集场景下则较松散。
• 在高信噪比下，有限块长带来的吞吐量退化可忽略不计，表明有限长度码可非常接近长码字性能。