[論文レビュー] AWGN Channel Capacity of Energy Harvesting Transmitters with a Finite Energy Buffer

P K Deekshith, Vinod Sharma+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 22被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、エネルギー効率の高い送信機がエネルギー収集を行い、有限なエネルギーバッファを備えたAWGNチャネルの情報理論的容量を確立する。Markovエネルギー管理方策が容量を達成することを証明し、単一記号の特徴付けを提供する。有限バッファ容量は、バッファサイズが増加するにつれて無限バッファ容量に収束する。

ABSTRACT

We consider an AWGN channel with a transmitter powered by an energy harvesting source. The node is equipped with a finite energy buffer. Such a system can be modelled as a channel with side information (about energy in the energy buffer) causally known at the transmitter. The receiver may or may not have the side information. We prove that Markov energy management policies are sufficient to achieve the capacity of the system and provide a single letter characterization for the capacity. The computation of the capacity is expensive. Therefore, we discuss an achievable scheme that is easy to compute. This achievable rate converges to the infinite buffer capacity as the buffer length increases.

研究の動機と目的

• エネルギー収集を行う送信機が有限なエネルギーバッファを備えたAWGNチャネルの情報理論的容量を特定すること。
• 送信機にバッファ状態の因果的知識がある場合に、Markovエネルギー管理方策がチャネル容量を達成することを確立すること。
• 受信機がバッファ状態の因果的知識を持つ場合（BSIR）の単一記号容量表現を導出すること。
• 受信機にバッファ状態情報がない場合の容量をシャノン戦略を用いて分析すること。
• バッファサイズが増加するにつれて、有限バッファ系の容量が無限バッファ容量に収束することを証明すること。

提案手法

• 送信機に因果的側情報（バッファ状態）を持つチャネルとしてシステムをモデル化し、エネルギー収集を独立同分布の確率変数としてモデル化する。
• エネルギーバッファ状態プロセスにマルコフ連鎖の定式化を用い、使用エネルギーが現在の利用可能エネルギー（収集エネルギーを含む）にのみ依存するようにする。
• 情報理論的技術を用いて、受信機にバッファ状態情報がある場合（BSIR）の単一記号容量表現を導出する。
• マルコフ連鎖の構造と一意な定常分布の存在に依拠して、容量を達成する方策がマルコフ的であることを証明する。
• 低複雑度の実現可能レートスキームとして、切り捨てられたガウス信号方式とグリーディ方策を導入する。
• エネルギーバッファプロセスの確率的単調性と無限バッファケースへの弱収束を分析することで、有限バッファ容量が無限バッファ容量に収束することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー収集を行う送信機と有限バッファを備えたAWGNチャネルの情報理論的容量は何か？
• RQ2 送信機にバッファ状態情報がある場合に、Markovエネルギー管理方策がチャネル容量を達成できるか？
• RQ3 有限バッファ系の容量は無限バッファ容量とどのように比較できるか？また、バッファサイズが増加するにつれて収束するか？
• RQ4 受信機がバッファ状態を把握しない場合（no BSIR）の容量式は何か？
• RQ5 低複雑度の送信方式は、有限バッファ領域で容量に近いレートを達成できるか？

主な発見

• 受信機にバッファ状態情報がある（BSIR）有限バッファAWGNチャネルの容量は、バッファ状態を条件とする入力と出力の相互情報量を含む単一記号表現で特徴づけられる。
• 送信機にバッファ状態情報がある場合に、Markovエネルギー管理方策がチャネル容量を達成するのに十分である。
• バッファサイズΓが無限大に近づくにつれて、有限バッファ系の容量は無限バッファ容量に収束する。
• 無限バッファ容量は$\frac{1}{2}\log\left(1 + \frac{\mathbb{E}[Y]}{\sigma^2}\right)$で与えられ、有限バッファ容量はこの値より下から収束する。
• 切り捨てられたガウス信号方式とグリーディ方策による実現可能レートが提案され、バッファサイズが増加するにつれて無限バッファ容量に収束する。
• エネルギーバッファプロセスの定常分布は、バッファサイズに関して確率的に非減少であるため、収束結果を支持する。