[論文レビュー] Full-Duplex Wireless-Powered Communication Network with Energy Causality

Xin Kang, Chin Keong Ho+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 18被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、ハイブリッドアクセスポイント（HAP）が、TDMAを介して複数のユーザーからのアップリンクデータ受信と同時に無線エネルギーをブロードキャストするフルデュプレックス無線駆動通信ネットワーク（WPCN）を提案する。エネルギー因果性（ユーザーは自身の送信の前に収集したエネルギーのみを使用可能）を課すことにより、最適な時間割り当てが、和スループットの最大化（凸性が証明され、線形計算複雑性で閉形式で解ける）および総送信時間の最小化を実現する。主な結果として、ユーザー数が増加するにつれてスループットが向上し、和スループット最大化と時間最小化の目的における最適スケジューリングが異なることが示された。

ABSTRACT

In this paper, we consider a wireless communication network with a full-duplex hybrid access point (HAP) and a set of wireless users with energy harvesting capabilities. The HAP implements the full-duplex through two antennas: one for broadcasting wireless energy to users in the downlink and one for receiving independent information from users via time-division-multiple-access (TDMA) in the uplink at the same time. All users can continuously harvest wireless power from the HAP until its transmission slot, i.e., the energy causality constraint is modeled by assuming that energy harvested in the future cannot be used for tranmission. Hence, latter users' energy harvesting time is coupled with the transmission time of previous users. Under this setup, we investigate the sum-throughput maximization (STM) problem and the total-time minimization (TTM) problem for the proposed multi-user full-duplex wireless-powered network. The STM problem is proved to be a convex optimization problem. The optimal solution strategy is then obtained in closed-form expression, which can be computed with linear complexity. It is also shown that the sum throughput is non-decreasing with increasing of the number of users. For the TTM problem, by exploiting the properties of the coupling constraints, we propose a two-step algorithm to obtain an optimal solution. Then, for each problem, two suboptimal solutions are proposed and investigated. Finally, the effect of user scheduling on STM and TTM are investigated through simulations. It is also shown that different user scheduling strategies should be used for STM and TTM.

研究の動機と目的

• 無線ネットワークにおけるバッテリー寿命の制限に取り組むことにより、無線エネルギー収集を活用して恒久的な運用を可能にすること。
• 複数のユーザーからのアップリンクデータ収集と同時にエネルギーを供給するフルデュプレックスハイブリッドアクセスポイント（HAP）を設計すること。
• エネルギー因果性をモデル化し、ユーザーが将来収集するエネルギーを使用できないようにすることで、ユーザー間のエネルギー収集と送信時間の間に結合制約を生じさせること。
• 2つの主要な最適化問題を解くこと：エネルギー因果性制約下での和スループット最大化（STM）および総時間最小化（TTM）。
• STMおよびTTMにおける最適および準最適な時間割り当てとスケジューリング戦略を比較し、シミュレーションを用いて性能を評価すること。

提案手法

• HAPは2つのアンテナを備え、一方はダウンリンクの無線パワー伝送（WPT）に、もう一方はTDMAを介したアップリンク受信に使用され、WPTとアップリンク送信を同時に実行可能である。
• エネルギー因果性は、各ユーザーが自身の送信スロットの前に収集したエネルギーのみを使用可能であるようにモデル化され、ユーザー間で時間的結合制約が生じる。
• 和スループット最大化（STM）問題は凸最適化問題として定式化され、線形計算複雑性で閉形式で解かれる。
• 総時間最小化（TTM）に対しては、結合制約を活用する2段階のアルゴリズムが提案され、最適解が得られる。
• 2つの準最適な時間割り当て方式が導入された：等時間割り当てと接点割り当てであり、最適解との性能を比較した。
• STMおよびTTMの両方において、ユーザーのスケジューリング戦略を評価し、増加順および減少順のSNR順スケジューリングをシミュレーションで比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 提案されたエネルギー因果性を備えたフルデュプレックスWPCNプロトコルは、実現可能な和スループットおよび総送信時間にどのように影響を与えるか？
• RQ2 エネルギー因果性制約下で和スループットを最大化する最適な時間割り当てポリシーは何か？ また、その計算は効率的に行えるか？
• RQ3 ユーザー数の増加が和スループットに与える影響は何か？ また、ユーザー数が増加するにつれてシステムスループットは非減少となるか？
• RQ4 TTM問題におけるユーザーの最適スケジューリング順序は何か？ また、準最適なスケジューリング戦略と比較してどうなるか？
• RQ5 STMおよびTTM問題において、準最適な時間割り当て方式は最適解に対してどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 和スループット最大化（STM）問題は凸性が証明され、線形計算複雑性で閉形式で最適解が得られる。
• 和スループットはユーザー数の増加に伴い非減少であり、ユーザー数が増加するにつれて最適解と等時間割り当てとの性能差が顕著に拡大する（例：K=10で最大1単位の差）。
• 総時間最小化（TTM）問題に対しては、結合されたエネルギー因果性制約を最適に解く2段階のアルゴリズムが提案された。
• 接点割り当てという準最適時間割り当て方式は、最適解に非常に近い性能を示し、HAPの送信電力が増加するにつれてギャップは小さくなる。
• ユーザーをSNRの降順にスケジューリングすると、昇順にスケジューリングするよりも優れた性能を示し、特に低SNRユーザーが総時間に大きく寄与する場合に顕著である。
• STMとTTMでは最適なユーザースケジューリング戦略が異なり、スケジューリングの選択はシステムの目的に依存することが示された。