[論文レビュー] Analysis of RF Energy Harvesting in Uplink-NOMA IoT-based Network

Zhou Ni, Ziru Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、IoTネットワークにおける上行リンク非直交多重アクセス（NOMA）のための確率的幾何学的モデルを提案する。デバイスは下行リンク伝送からRFエネルギーを回収し、上行リンクデータ伝送を駆動する。干渉を考慮しつつ、エネルギー回収時間スロット $T$ を最適化することで、全スループットを最大化する。干渉の影響により、基地局密度が高いとスループットが低下するが、エネルギー収集と伝送時間のバランスを取る最適な $T$ が明らかになる。

ABSTRACT

Internet of Things (IoT) systems in general consist of a lot of devices with massive connectivity. Those devices are usually constrained with limited energy supply and can only operate at low power and low rate. In this paper, we investigate a cellular-based IoT system combined with energy harvesting and NOMA. We consider all base stations (BS) and IoT devices follow the Poisson Point Process (PPP) distribution in a given area. The unit time slot is divided into two phases, energy harvesting phase in downlink (DL) and data transmission phase in uplink (uplink). That is, IoT devices will first harvest energy from all BS transmissions and then use the harvested energy to do the NOMA information transmission. We define an energy harvesting circle within which all IoT devices can harvest enough energy for NOMA transmission. The design objective is to maximize the total throughput in uplink within the circle by varying the duration T of energy harvesting phase. In our work, we also consider the inter-cell interference in the throughput calculation. The analysis of Probability Mass Function (PMF) for IoT devices in the energy harvesting circle is also compared with simulation results. It is shown that the BS density needs to be carefully set so that the IoT devices in the energy harvesting circle receive relatively smaller interference and energy circles overlap only with a small probability. Our simulations show that there exists an optimal T to achieve the maximum throughput. When the BSs are densely deployed consequently the total throughput will decrease because of the interference.

研究の動機と目的

• IoTデバイスが下行リンクのRFエネルギー回収にのみ依存して駆動されるセルラー型IoTネットワークをモデル化すること。
• ポisson点過程（PPP）に基づくネットワークにおける上行リンクNOMA伝送性能を分析すること。
• エネルギー回収フェーズの期間 $T$ を最適化することで、全システムスループットを最大化すること。
• 基地局密度とエネルギー回収領域の重複がシステム性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 基地局（BS）とIoTデバイスの両方をポアソン点過程（PPP）としてネットワークをモデル化する。
• 各タイムスロットを2段階に分割する：下行リンクでのエネルギー回収と上行リンクNOMA伝送。
• 各BSの周囲にエネルギー回収領域を定義し、その領域内に存在するデバイスは伝送に必要なエネルギーを回収可能とする。
• 上行リンクNOMAシステムにおける幹渉をモデル化・分析するためにラプラス変換を用いる。
• エネルギー回収領域内にあるIoTデバイス数の確率質量関数（PMF）を導出し、シミュレーション結果と比較する。
• 干渉とエネルギー供給の両方を考慮した全システムスループットを、$T$ と基地局密度 $\lambda_b$ の関数として定式化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 確率的幾何学的IoTネットワークにおける上行リンクNOMAシステムのスループットを最大化するためのエネルギー回収フェーズの最適期間 $T$ は何か？
• RQ2 基地局密度 $\lambda_b$ がエネルギー回収領域のサイズと、異なるセルからの領域の重複確率に与える影響は何か？
• RQ3 上行リンクNOMAにおけるRFエネルギー回収を伴う際、干渉が全システムスループットに与える影響は何か？
• RQ4 エネルギー回収領域内にあるIoTデバイス数の解析的PMFは、シミュレーション結果とどの程度一致するか？
• RQ5 エネルギー回収時間と伝送時間のトレードオフが、全体のシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• 最適なエネルギー回収時間 $T = 0.15$ がシステムスループットを最大化する。$T$ がこの値を超えると、干渉の増加により性能が低下する。
• 高い基地局密度（$\lambda_b$）はエネルギー回収範囲を拡大するが、同時に干渉を増加させ、ある閾値を超えるとスループットが低下する。
• $\lambda_b$ が 300 BS/km² に達すると、エネルギー回収領域の重複確率は100％に達し、システム解析の正確性に顕著な影響を与える。
• 基地局密度 $\lambda_b$ が 20 から 40 BS/km² の範囲では、エネルギー回収領域内にあるIoTデバイス数の解析的PMFがシミュレーション結果とよく一致する。
• 干渉はシステムスループットに顕著な悪影響を及ぼし、性能評価において極めて重要な要因である。
• 基地局密度が高くなると、干渉が増加するため、スループットは低下する。これは、より多くのデバイスがエネルギーを回収できる反面、干渉の増大が性能に悪影響を及えるためである。