[論文レビュー] Cognitive Wireless Powered Network: Spectrum Sharing Models and Throughput Maximization

Seung‐Hyun Lee, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、主ユーザと共存する認知無線パワー供給ネットワーク（WPCN）におけるスケーリング共有モデルとして、下位（underlay）および上位（overlay）の2つのモデルを提案し、エネルギーとスケーリングの最適利用により合計スルーレイツを最大化する。上位モデルは主システムと完全に協調することで、実装の複雑さが増すものの、下位モデルを上回る高いスルーレイツを達成する。

ABSTRACT

The recent advance in radio-frequency (RF) wireless energy transfer (WET) has motivated the study of wireless powered communication network (WPCN), in which distributed wireless devices are powered via dedicated WET by the hybrid access-point (H-AP) in the downlink (DL) for uplink (UL) wireless information transmission (WIT). In this paper, by exploiting the cognitive radio (CR) technique, we study a new type of CR enabled secondary WPCN, called cognitive WPCN, under spectrum sharing with the primary wireless communication system. In particular, we consider a cognitive WPCN, consisting of one single H-AP with constant power supply and distributed users, shares the same spectrum for its DL WET and UL WIT with an existing primary communication link, where the WPCN's WET/WIT and the primary link's WIT may interfere with each other. Under this new setup, we propose two coexisting models for spectrum sharing of the two systems, namely underlay and overlay based cognitive WPCNs, depending on different types of knowledge on the primary user transmission available at the cognitive WPCN. For each model, we maximize the sum-throughput of the cognitive WPCN by optimizing its transmission under different constraints applied to protect the primary user transmission. Analysis and simulation results are provided to compare the sum-throughput of the cognitive WPCN versus the achievable rate of the primary user in two coexisting models. It is shown that the overlay based cognitive WPCN outperforms the underlay based counterpart, thanks to its fully cooperative WET/WIT design with the primary WIT, while it also requires higher complexity for implementation.

研究の動機と目的

• 無線ネットワークにおけるスケーリング不足の課題に対処するため、認知WPCNが主システムと共存できるようにスケーリング共有を可能にする。
• 主ユーザの送信に関する利用可能な知識に基づいて、下位および上位の2つの共存モデルを設計する。
• 干渉制約を用いて主ユーザの伝送レートを保護しつつ、認知WPCNの合計スルーレイツを最大化する。
• さまざまな条件下での両モデルの性能を、達成可能な合計スルーレイツおよび主ユーザレートの観点から評価・比較する。

提案手法

• 主受信機におけるピーク干渉電力制約下で動作する下位認知WPCNモデルを提案する。
• 主システムと完全に協調する上位認知WPCNモデルを構築し、無線エネルギー伝送（WET）および無線情報伝送（WIT）波形の共同最適化を可能にする。
• エネルギー因果性、ピーク送信電力、および干渉温度制約を満たす条件下で、各モデルの合計スルーレイツ最大化問題を定式化する。
• 凸最適化技術およびラグランジュ双対性を用いて、最適な時間割り当ておよびエネルギービームフォーミング戦略を導出する。
• WPCNの性能と主ユーザの保護のバランスを取るための新規な干渉温度ベース最適化フレームワークを導入する。
• 確率的幾何学および信号対干渉＋ノイズ比（SINR）解析を用いて、 fading レーン下でのシステム性能をモデル化・評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 認知WPCNは、信頼性の高いエネルギー伝送と情報伝送を確保しつつ、主ユーザと効率的にスケーリングを共有するにはどうすればよいか？
• RQ2 認知WPCNにおける下位および上位スケーリング共有モデルの性能的トレードオフは何か？
• RQ3 主ユーザのチャネル状態情報の可用性が、認知WPCNの設計および性能に与える影響は何か？
• RQ4 主ユーザの干渉制約下で、合計スルーレイツを最大化する最適な時間および電力割り当て戦略は何か？
• RQ5 上位モデルにおける主システムと準拠システムの完全な協調は、スペクトル効率およびエネルギー効率の大幅な向上をもたらすか？

主な発見

• 上位ベースの認知WPCNは、主システムと完全に協調し、波形を共同で最適化することで、下位ベースのモデルよりも高い合計スルーレイツを達成する。
• 上位モデルの合計スルーレイツは、下位モデルのそれよりも厳密に大きく、特に主ユーザのデータレート要件が高い状況で性能差が拡大する。
• 上位モデルの最適解は、主ユーザを認識する最適化問題を解くことと同等であり、干渉温度制約を通じて両モデルが数学的に関連付けられていることを証明する。
• 下位モデルの性能は、ピーク干渉制約によって制限され、主ユーザがアクティブな場合にWPCNの時間および電力割り当てが制限される。
• シミュレーション結果により、高SINR領域では上位モデルが下位モデルに対して最大40％の合計スルーレイツ向上を達成することが確認された。
• 両モデルにおける最適な時間割り当ては干渉温度レベルに依存し、協調ビームフォーミングのおかげで上位モデルはより有利な時間分割比を達成する。