[論文レビュー] Cognitive Energy Harvesting and Transmission from a Network Perspective

Seunghyun Lee, Kaibin Huang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2012

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、主端局（PT）のRF信号からエネルギーを回収する副次的送信局（ST）が、PTのガードゾーン外でのみ送信する認知無線ネットワークを提案する。独立したポアソン点過程を用いた確率的幾何モデルを用い、停電制約下での最大空間スループットの閉形式表現を導出。その結果、副次的スループットはPT密度に線形に減少し、最適なST密度はST送信確率と逆比例することが示された。

ABSTRACT

Wireless networks can be self-sustaining by harvesting energy from radio-frequency (RF) signals. Building on classic cognitive radio networks, we propose a novel method for network coexisting where mobiles from a secondary network, called secondary transmitters (STs), either harvest energy from transmissions by nearby transmitters from a primary network, called primary transmitters (PTs), or transmit information if PTs are sufficiently far away; STs store harvested energy in rechargeable batteries with finite capacity and use all available energy for subsequent transmission when batteries are fully charged. In this model, each PT is centered at a guard zone and a harvesting zone that are disks with given radiuses; a ST harvests energy if it lies in some harvesting zone, transmits fixed-power signals if it is outside all guard zones or else idles. Based on this model, the spatial throughput of the secondary network is maximized using a stochastic-geometry model where PTs and STs are modeled as independent homogeneous Poisson point processes (HPPPs), under the outage constraints for coexisting networks and obtained in a simple closed-form. It is observed from the result that the maximum secondary throughput decreases linearly with the growing PT density, and the optimal ST density is inversely proportional to the derived transmission probability for STs.

研究の動機と目的

• 主伝送からのRFエネルギー回収により、自己持続的となる副次的ネットワークを実現すること。
• 空間的な確率過程を用いて、主ネットワークと副次的ネットワークの共存をモデル化すること。
• 両ネットワークの停電制約下で、副次的ネットワークの空間スループットを最大化すること。
• 副次的ネットワークにおける最適送信電力およびノード密度の閉形式表現を導出すること。
• ガードゾーンによる主ネットワーク保護と副次的ネットワーク性能のトレードオフを分析すること。

提案手法

• 2次元平面上に、PTとSTを独立した定常ポアソン点過程（HPPP）としてモデル化する。
• 各PTの周囲にガードゾーン（半径 $ r_g $）を定義し、主伝送を保護するとともに、エネルギー収集のためのハーベスティングゾーン（半径 $ r_h $）を設定する。
• STの空間的分布に応じた送信確率 $ p_t $ を、マルコフ連鎖理論を用いて導出する。
• 活性なSTの空間的分布をポアソン近似でモデル化し、副次的ネットワークのスループットを計算する。
• 信号対インターフェレンス加算ノイズ比（SINR）のしきい値を用いて、主ネットワークおよび副次的ネットワークの停電制約を定式化する。
• エネルギー回収および干渉制約下で、副次的送信電力 $ P_s $ とST密度 $ \lambda_s $ を最適化し、空間スループットを最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PTおよびSTの空間的分布が、RFエネルギー回収で駆動される副次的ネットワークの実現可能スループットにどのように影響を与えるか？
• RQ2 主ネットワークの停電制約下で、副次的ネットワークスループットを最大化するためのST密度と送信電力の最適なバランスは何か？
• RQ3 PT密度の増加が、最大達成可能副次的ネットワークスループットにどのように影響を与えるか？
• RQ4 副次的ネットワークスループットが、エネルギーの可用性ではなく主ネットワーク保護によって制限される条件は何か？
• RQ5 最適ST密度とST送信確率との間の解析的関係は何か？

主な発見

• 最大副次的空間スループット $ \mathcal{C}_s^* $ は、PT密度 $ \lambda_p $ の増加に伴い線形に減少し、主ネットワーク密度と副次的性能の間の直接的なトレードオフを示している。
• 最適ST密度 $ \lambda_s^* $ は、副次的送信確率 $ p_t $ と逆比例する。これは、STの活動度が高いほど、システムの安定性を維持するためにはST密度を低く抑える必要があることを示唆している。
• ハーベスティング効率 $ \eta $ および $ r_h^{-\alpha} $ が十分に大きい場合、最適 $ \lambda_s^* $ は、主ネットワークおよび副次的ネットワークの停電確率制約の交差点によって決定される。
• もし $ \eta r_h^{-\alpha} < \frac{\theta_s}{\theta_p} \left( \frac{\mu_s}{\mu_p} \right)^{-\alpha/2} $ である場合、副次的停電制約がボトルネックとなり、$ \lambda_s^* $ は副次的ネットワークの要件によって制限される。
• 数値結果により、停電確率に対する解析的近似がシミュレーション結果とよく一致しており、実際のパrameter設定下でのモデルの正確性が検証された。
• $ \lambda_p \to 0 $ のとき、$ \mathcal{C}_s^* $ は理論的最大値に近づくが、$ \lambda_s^* \to \infty $ となる。これは、PTが疎に配置されている場合、ピークスループットを達成するには現実的でないほど高密度のST配置が必要であることを示している。