[論文レビュー] Cooperative Energy Trading in CoMP Systems Powered by Smart Grids

Jie Xu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 18被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、スマートグリッド駆動型セルラー網における共同エネルギー取引と協調マルチポイント（CoMP）伝送のための共同最適化フレームワークを提案する。凸最適化と上行下行双対性を活用して、総エネルギー費用を最小化する。基地局が電力網とエネルギーを取引可能にすることで、QoS制約下での送信プリコーディングを共同で管理でき、トイ・インスタンスにおいて最大86％のコスト削減を実現した。

ABSTRACT

This paper studies the energy management in the coordinated multi-point (CoMP) systems powered by smart grids, where each base station (BS) with local renewable energy generation is allowed to implement the two-way energy trading with the grid. Due to the uneven renewable energy supply and communication energy demand over distributed BSs as well as the difference in the prices for their buying/selling energy from/to the gird, it is beneficial for the cooperative BSs to jointly manage their energy trading with the grid and energy consumption in CoMP based communication for reducing the total energy cost. Specifically, we consider the downlink transmission in one CoMP cluster by jointly optimizing the BSs' purchased/sold energy units from/to the grid and their cooperative transmit precoding, so as to minimize the total energy cost subject to the given quality of service (QoS) constraints for the users. First, we obtain the optimal solution to this problem by developing an algorithm based on techniques from convex optimization and the uplink-downlink duality. Next, we propose a sub-optimal solution of lower complexity than the optimal solution, where zero-forcing (ZF) based precoding is implemented at the BSs. Finally, through extensive simulations, we show the performance gain achieved by our proposed joint energy trading and communication cooperation schemes in terms of energy cost reduction, as compared to conventional schemes that separately design communication cooperation and energy trading.

研究の動機と目的

• 密度の高いセルラー網における運用コストの上昇に対処するため、再生可能エネルギーの統合とスマートグリッドとの二方向エネルギー取引を統合すること。
• 従来のCoMP設計が動的電力料金と再生可能エネルギー供給の変動性を無視するという限界を克服すること。
• QoS要件を満たしながら、総エネルギー費用を最小化するため、エネルギー取引とプリコーディングを共同で最適化すること。
• 実用的導入を想定し、最適および準最適解を開発し、低複雑度のZFベースのプリコーディングをスケーラブルな代替手段として提供すること。

提案手法

• QoS制約および電力制約下で、エネルギー取引とCoMPプリコーディングによる総エネルギー費用を最小化する共同最適化問題を定式化する。
• 非凸な下行リンク問題を凸最適化に適した双対上行リンク問題に変換するために、上行下行双対性を適用する。
• ラグランジュ緩和と部分勾配法を用い、楕円体法を組み合わせて双対問題を反復的に解く。
• カールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件と双対分解を用いて、最適なエネルギー取引およびプリコーディングを導出する。
• 計算複雑度を低減しながら性能を維持するため、準最適なZFベースのプリコーディング方式を提案する。
• シミュレーションを通じて、従来のCoMPとエネルギー取引の別個設計と比較して、共同最適化の有効性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートグリッド駆動型セルラー網において、エネルギー取引とCoMP伝送をどのように共同最適化することで、総エネルギー費用を最小化できるか？
• RQ2 従来のCoMP設計や独立したエネルギー取引設計と比較して、共同最適化による性能向上はどの程度か？
• RQ3 変動する電力網価格を伴う二方向エネルギー取引が、システムコストとエネルギー効率に与える影響は何か？
• RQ4 現実的な制約下でのエネルギー管理とプリコーディング管理において、最適性と複雑度のトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 基地局間での再生可能エネルギー供給のばらつきが、協調的エネルギー取引の有効性にどのように影響するか？

主な発見

• 提案手法による共同最適化は、トイ・インスタンスにおいて従来のCoMP設計と比較して、エネルギー費用を0.356から0.05ユニットにまで86％削減した。
• 最適解は、KKT条件から導かれる正確なエネルギー購入・売却レベルを用いて、協調的エネルギー取引とプリコーディングを最適に制御することで、コスト最小化を達成する。
• 準最適なZFベースの手法は、計算複雑度を大幅に低減しながらも、優れた性能を維持しており、リアルタイム導入に適している。
• エネルギー取引と通信協調の両方を連携して最適化することで、コスト削減が著しく高まる。別々に最適化するよりも顕著な改善が得られる。
• 再生可能エネルギー供給の不均一性や基地局間での電力網価格の変動があっても、システム全体として顕著なコスト削減が達成される。