[論文レビュー] Energy-Efficient SWIPT in IoT Distributed Antenna Systems

Yu‐Wen Huang, Mengyu Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、IoT対応分散アンテナシステム（DAS）におけるエネルギー効率の良い同時無線情報・電力伝送（SWIPT）方式を提案し、分散アンテナポートの送信パワーとIoTデバイスにおけるパワー分岐比の最適化を実施する。単一のIoTデバイスの場合、KKT条件を用いて閉形式の最適解を導出する。複数デバイスの場合、ベンチマークより高いエネルギー効率を達成する逐次的反復アルゴリズムを提案する。

ABSTRACT

The rapid growth of Internet of Things (IoT) dramatically increases power consumption of wireless devices. Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) is a promising solution for sustainable operation of IoT devices. In this paper, we study energy efficiency (EE) in SWIPT-based distributed antenna system (DAS), where power splitting (PS) is applied at IoT devices to coordinate the energy harvesting (EH) and information decoding (ID) processes by varying transmit power of distributed antenna (DA) ports and PS ratios of IoT devices. In the case of single IoT device, we find the optimal closed-form solution by deriving some useful properties based on Karush-Kuhn-Tucker (KKT) conditions and the solution is no need for numerical iterations. For the case of multiple IoT devices, we propose an efficient suboptimal algorithm to solve the EE maximization problem. Simulation results show that the proposed schemes achieve better EE performance compared with other benchmark schemes in both single and multiple IoT devices cases.

研究の動機と目的

• 巨視的デバイス接続に起因するIoTネットワークにおける増大するエネルギー消費を是正すること。
• 送信パワーとパワー分岐比の共同最適化を通じて、SWIPT対応DASにおけるエネルギー効率（EE）の向上を図ること。
• DASにおける短距離リンク距離を活用することで、SWIPTにおける短距離電力伝送の課題を克服すること。
• 単一および複数IoTデバイス環境下で、合計スループットを総消費電力で割ったシステムEEを最大化すること。
• 単一デバイスケースでは数値反復を要しない低複雑度の解法と、複数デバイスケースでは収束性を保証する部分最適なアルゴリズムの開発

提案手法

• 送信パワーと各デバイスごとのエネルギー回収量に関する制約を課した非凸なエネルギー効率最大化問題を定式化する。
• カールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を用いて、単一IoTデバイスの場合の閉形式最適解を導出。反復的計算を回避する。
• 複数IoTデバイスの場合、2段階の部分最適アルゴリズムを提案：送信パワー割り当てとパワー分岐比の交互最適化。
• 制約を処理するためにラグランジュ双対分解を用い、双対変数は楕円体法により更新する。
• ラグランジュ関数の偏微分を用いて、与えられた双対変数下での最適送信パワーとPS比の値を導出する。
• 勾配に基づく双対最適化を適用し、双対変数 q の収束チェックを実施して反復的に解を改善する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DASにおける単一IoTデバイスのエネルギー効率を最大化するための最適送信パワー割り当てとパワー分岐比は何か？
• RQ2 送信パワーとPS比の共同最適化を実施する複数IoTデバイスDASにおいて、エネルギー効率をどのように最大化できるか？
• RQ3 数値反復を要しない条件下で、単一デバイスケースに閉形式解を導出できるか？
• RQ4 提案された複数デバイス用部分最適アルゴリズムは、ベンチマーク手法と比較して性能と複雑度の点でどのように優れているか？
• RQ5 DASにおける短距離伝送が、IoTネットワークにおけるSWIPTの実現可能性と効率性に与える影響は何か？

主な発見

• 単一IoTデバイスケースではKKT条件を用いた閉形式最適解が得られ、数値反復手法の必要がなくなる。
• 提案された複数デバイス用部分最適アルゴリズムは、送信パワーとPS比の交互最適化により収束し、安定性が保証される。
• シミュレーション結果から、提案手法は単一および複数デバイス両ケースにおいて、ベンチマーク手法を上回るエネルギー効率を達成している。
• 分散アンテナ間での送信パワー割り当てとIoTデバイスにおけるPS比の共同最適化により、顕著なEE向上が実現されている。
• 楕円体法を用いたラグランジュ双対分解により、双対変数の効率的更新が可能となり、最適な q 値への収束が達成された。
• 導出された最適送信パワー割り当ておよびPS比の式は解析的に妥当性が確認され、実用的制約下でも有効であることが示された。