Energy Harvesting Enabled Relaying network: Design System and Performance Analysis

Sy Nguyen Hoang

Doctoral thesis

Abstract:

Tato dizertační práce se věnuje návrhu nových protokolů pro bezdrátově napájené komunikační sítě, jejichž efektivita je následně podrobena analýze. V této práci jsou probrány přístupy k bezdrátovému napájení komunikačních zařízení, a sice SP (Separated Power) a HP (Harvested Power), kdy energie je získána z okolí. Tyto techniky jsou zkoumány z pohledu tzv. relay uzlu R (Relay node) v plně duplexních sítích RN (Relaying Networks) pracujících v režimu DF (Decode-and-Forward). Mimoto, jsou v práci rozebrány i faktory snižující výkonnost a efektivitu bezdrátově napájených komunikačních systémů využívajících navržený hybridní protokol HTPSR (Hybrid Time Switching-based and Power Splitting-based Relaying). Pro tyto účely je využita zejména informace o stavu kanálu CSI (Channel State Information), přičemž detekovány a vyhodnoceny jsou i vlivy jednotlivých zařízení HWIs (Hardware Impairments). Pro zmíněný protokol HTPSR je v práci taktéž řešen problém optimalizace poměru mezi intervaly časového přepínání TS (Time Switching) a děleného napájení PS (Power Splitting), kde byl využit genetický algoritmus. Další oblastí, která je v této práci zkoumána, je síť umožňující současný přenos informací i energie pro napájení, pro niž byly v rámci této práce navrženy, nasazeny a vyhodnoceny dva protokoly, a to PTSTW (Power Time Splitting-based Two-slot) a PTSTH (Power Time Splitting-based Three-slot). Následně jsou v dizertaci zkoumány tři navržená schémata, ve kterých může být provozován uzel R a je provedena jejich výkonnostní analýza, konkrétně jde o režim: * poloduplexní využívající techniku kombinování maximálních poměrů HDMRC (Half-duplex Deploying Maximal Ratio Combine), * plně duplexní využívající sdružené dekódování FDJD (Full-duplex Deploying Joint Decoding), * a hybridní kombinující oba výše zmíněné způsoby v režimu HTS (Hybrid Transmission Scheme). Všechna tato tři schémata jsou provozována v optimalizovaných režimech provozu, přičemž v práci jsou rozebrány dva – optimální napájení s individuálními limity OPIPC (Optimal Power Under the Individual Power Constraints) a optimální napájení s možností využití získávání energie OPEHA (Optimal Power with Energy Harvesting Ability). Z následných simulací pak bylo zjištěno, že HTS svou efektivitou předčí jak HDMRC, tak FDJD a že režim OPEHA je výhodnější než režim OPIPC. Posledním přínosem této práce jsou dva navržené způsoby určení časových poměrů OTPS (Optimal Time for transmitting Power at Source) a OTPR (Optimal Time for transmitting Power at Relay) s cílem optimalizovat přenos energie v CR (Cognitive Relaying) sítích. Rovněž byly pečlivě zkoumány výkonnostní parametry jako pravděpodobnost výpadku, poměr mezi přenosovou rychlostí systému a dodanou energií a průměrná efektivita systému při přenosu energie, a to za účelem zlepšení vlastností datových přenosů.

Abstract:

The thesis deals with the design of new protocols and the analysis of wireless-powered communications networks’ performance. In order to bring the contribution to the science in field of my topic, this thesis starts with the study of wireless power supply policies, namely the separated power (SP) and harvested power (HP) techniques at the relay node in the full-duplex (FD) decode-and-forward (DF) relaying networks (RNs). In the second emphasis, the thesis deals with the factors degrading the system performance, i.e., channel state information (CSI) and hardware impairments (HWIs) using Hybrid time switching-based and power splitting-based relaying (HTPSR) protocol. Besides that, an optimization problem regarding time switching (TS) and power splitting (PS) ratios are solved in this thesis, where a genetic algorithm was used. In the third emphasis of this thesis, a two-way simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) network is considered to be an important technique, in which two new proposed protocols, namely power time splitting-based two-slot (PTSTW) and power time splitting-based three-slot (PTSTH) are deployed and compared with each other. The throughput performance is analyzed for both developed protocols. The following emphasis is the study of relay selection (RS) schemes. The three optimal RS schemes are proposed to examine the system performance, namely: * Half-duplex (HD) deploying maximal ratio combine (HDMRC), * FD deploying joint decoding (FDJD), * and hybrid FD/HD relaying transmission scheme (HTS). All of them operate in two optimal power supply policies - optimal power under the individual power constraints (OPIPC) and optimal power with energy harvesting ability (OPEHA). The simulation results show that the HTS outperforms HDMRC and FDJD, and OPEHA is better than OPIPC. Finally, Optimal time for transmitting power at source (OTPS) and Optimal time for transmitting power at relay (OTPR) are proposed to optimize the transmit power in a cognitive relaying network (CRN). For performance analysis, the outage probability, the rate-energy trade-off and the average energy efficiency are studied to enhance the successful data transmission.

Keywords

Získávání energie, pravděpodobnost výpadku, ergodická kapacita, průchodnost, energetická účinnost.

Keywords

Energy harvesting, outage probability, ergodic capacity, throughput, energy efficiency.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 12. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 5. 2. 2019
• Supervisor: Miroslav Vozňák
• Reader: Radek Martinek, Jaroslav Sklenář, Zdeněk Bečvář

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Doctoral programme / field:
Informatika, komunikační technologie a aplikovaná matematika / Komunikační technologie