At an energy harvesting relay, securing residual harvested energy, net remaining energy after each receiving and forwarding cycle, is of importance for sustainable operation. However, there exists a tradeoff between achievable rate and residual harvested energy whereby understanding this tradeoff concretely is crucial for energy harvesting relay system design. This dissertation analyzes rate-energy (R-E) region for achievable rate and residual harvested energy in two-way decode-and-forward (DF) relay systems with various relaying protocols.
Firstly, we consider a wireless energy transfer (WET) based relaying protocol. In particular, we characterize R-E regions of WET-and-multiple access broadcast (WET-MABC) and WET-and-time division broadcast (WET-TDBC) protocols. The boundary of the R-E regions is identified by optimizing the time duration factor in each protocol. Moreover, the approximated R-E regions of all protocols for two asymptotic cases are derived to have better analytic comparisons and useful insights on performance. Based on the approximated R-E region, it is shown that the R-E region of the WET-TDBC is always included in that of the WET-MABC in low SNR case. On the other hand, in high SNR case, either the WET-TDBC protocol or the WET-MABC protocol is preferred according to a certain condition.
Secondly, we consider a power splitting (PS) based relaying protocol such as PS based MABC (PS-MABC) and PS based TDBC (PS-TDBC) protocols. In addition, to improve the R-E region, we propose a new energy harvesting relaying protocol, namely, PS based information and energy signals multiple access broadcast (PS-IEBC) protocol. We analyze the R-E regions of the PS-MABC, PS-TDBC, and PS-IEBC protocols. The boundary of the R-E regions is identified by optimizing the power splitting factor in each protocol. The proposed PS-IEBC is shown to considerably improve the achievable R-E region compared to the other protocols. Moreover, the approximated R-E regions of all protocols for two asymptotic cases are derived to have better analytic comparisons and useful insights on performance. Based on the approximated R-E region, it is shown that if the required residual energy is large, the PS-IEBC protocol outperforms the others, but if the required residual energy is small, either the PS-IEBC protocol or the PS-MABC protocol is preferred.
Thirdly, we consider a WET-and-PS (WPS) based relaying protocol. In particular, we describe the R-E regions of the WPS based MABC (WPS-MABC), WPS based TDBC (WPS-TDBC), and WPS based IEBC (WPS-IEBC) protocol. The boundary of the R-E regions is characterized by optimizing both time duration and power splitting factors in each protocol. To obtain the effect of each factor, we compare the WET, PS, and WPS based relaying protocols in each protocol. Then, we show that WET based protocol is not included in PS based protocol and vice versa. Numerical results show that the rate performance of the PS based protocol is the same as one of the WPS based protocol in high SNR case when the required residual energy is small. On the other hand, the WET based protocol outperforms PS based protocol when the required residual energy is large for both low and high SNR cases. Among all protocols, in high SNR case, the WPS-IEBC has the largest R-E region compared with other protocols, while the WPS-MABC outperforms the others in low SNR case.
에너지 하베스팅 중계기에서 잔류된 하베스트 에너지 즉, 수신- 후-전송하는 중계기 순환과정 후 남는 순 에너지는 중계기 시스템을 지속가능하도록 동작시키기에 매우 중요하다. 그러나, 전송률과 잔류된 하베스트 에너지 사이에는 트레이드 오프가 존재하며 이 트레이드 오프를 이해하는 것은 에너지 하베스팅 중계기 시스템의 설계에 매우 중요하다. 이 논문에서는 전송률- 에너지 영역을 기반으로 다양한 중계 프로토콜을 가지고 양방향 복호-후- 전송 중계기 시스템에서 달성가능한 전송률과 잔류된 하베스트 에너지에 관해 연구하였다.
첫 번째로, 에너지 전송 후 중계 프로토콜을 고려하였다. 자세히는 에너지 전송 후 다중접속방송과 에너지 전송 후 시분할방송 프로토콜의 전송률-에너지 영역을 구현하였다. 이 전송률- 에너지 영역의 경계는 각 프로토콜에서 에너지 하베스팅을 위한 지속시간 인자를 최적화함으로써 식별된다. 게다가, 성능에 대한 더 나은 분석적인 비교와 유용한 식견을 갖기 위해 두 개의 점근적인 경우를 위한 모든 프로토콜의 근사화된 전송률- 에너지 영역을 구하였다. 이를 바탕으로, 낮은 신호대잡음비의 경우에서는 에너지 전송 후 시분할방송 프로토콜의 전송률- 에너지 영역이 항상 에너지 전송 후 다중접속방송 프로토콜의 전송률-에너지 영역 안에 포함됨을 보였다. 하지만 높은 신호대잡음비의 경우에는 특정 조건에 따라 에너지 전송 후 시분할방송 프로토콜과 에너지 전송 후 다중접속방송 프로토콜이 각각 선호되었다.
두 번째로, 전력 나눔 기반의 중계 프로토콜을 고려하였다. 전력 나눔 기반의 다중접속방송, 시분할방송 프로토콜들의 연구 뿐 아니라, 전송률- 에너지 영역을 확장시키기 위해, 새로운 에너지 하베스팅 중계 프로토콜을 제안하였다. 이름은 전력 나눔 기반의 정보신호와 에너지신호의 다중접속방송 프로토콜이다. 따라서 총 세 가지 프로토콜의 전송률-에너지 영역을 분석하였고 이 영역의 경계는 각 프로토콜에서 전력 나눔 인자를 최적화함으로써 식별된다. 제안한 전력 나눔 기반의 정보신호와 에너지신호의 다중접속방송은 다른 프로토콜에 비해 달성가능한 전송률-에너지 영역을 상당히 넓히는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 분석적인 비교를 위해 두 개의 점근적인 경우에 대한 근사화된 전송률-에너지 영역을 구하였다. 이를 바탕으로, 요구되는 잔류 에너지가 크면 전력 나눔 기반의 정보신호와 에너지신호의 다중접속방송 프로토콜이 다른 프로토콜보다 뛰어남을 알 수 있었다. 하지만 요구되는 잔류 에너지가 작으면, 전력 나눔 기반의 정보신호와 에너지신호의 다중접속방송 프로토콜 또는 전력 나눔 기반의 다중접속방송 프로토콜 둘 중 하나가 조건에 따라 선호되었다.
세 번째로, 에너지 전송 후 전력 나눔 기반의 다중접속방송, 시분할방송, 그리고 정보신호와 에너지신호의 다중접송방송 프로토콜의 전송률-에너지 영역을 분석하였다. 이 영역의 경계를 구하기 위해 각 프로토콜에서는 지속시간 인자와 전력 나눔 인자를 최적화하였다. 또한 각 프로토콜에서는 에너지 전송, 전력 나눔, 그리고 에너지 전송 후 전력 나눔 방식의 전송률-에너지 영역을 비교하였다. 비교를 통해, 에너지 전송 기반 방식이 전력 나눔 기반의 전송률-에너지 영역에 포함되지 않고 그 반대 또한 포함되지 않음을 보였다. 시뮬레이션을 통해 높은 신호대잡음비의 경우 요구되는 잔류 에너지가 작으면 전력 나눔 기반의 전송률 성능이 에너지 전송 후 전력 나눔 방식의 성능과 같아짐을 보였다. 반대로 모든 신호대잡음비에서 요구되는 잔류 에너지가 크면 에너지 전송 기반의 프로토콜이 전력 나눔 기반의 프로토콜보다 뛰어남을 보였다. 모든 프로토콜의 비교를 통해, 높은 신호대잡음비에서는 에너지 전송 후 전력 나눔 기반의 정보신호와 에너지신호의 다중접속방송 프로토콜이 가장 좋은 성능을 보였으며, 낮은 신호대잡음비에서는 에너지 전송 후 전력 나눔 기반의 다중접속방송 프로토콜이 가장 좋은 성능을 보였다.
