[論文レビュー] Multi-user Scheduling Schemes for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer Over Fading Channels

Rania Morsi, Diomidis S. Michalopoulos+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、同時無線情報・エネルギー伝送（SWIET）を備えたマルチユーザー下行リンクシステムにおける順序ベースのSNRおよび正規化SNR（N-SNR）スケジューリング方式を提案する。チャネル品質がj番目に良いユーザー（最良のユーザーではなく）を選択することで、エゴスティック容量と回収エネルギーのトレードオフを制御する。jの値を小さくすることでエネルギー回収を増加させられるが、その代わりスループットが低下する。これにより、動的電圧スケーリングによる立方乗のパワー低減が可能となり、エネルギー効率の高い運用が実現可能となる。

ABSTRACT

In this paper, we study downlink multi-user scheduling for a time-slotted system with simultaneous wireless information and power transfer. In particular, in each time slot, a single user is scheduled to receive information, while the remaining users opportunistically harvest the ambient radio frequency energy. We devise novel online scheduling schemes in which the tradeoff between the users' ergodic rates and their average amount of harvested energy can be controlled. In particular, we modify the well-known maximum signal-to-noise ratio (SNR) and maximum normalized-SNR (N-SNR) schedulers by scheduling the user whose SNR/N-SNR has a certain ascending order (selection order) rather than the maximum one. We refer to these new schemes as order-based SNR/N-SNR scheduling and show that the lower the selection order, the higher the average amount of harvested energy in the system at the expense of a reduced ergodic sum rate. The order-based N-SNR scheduling scheme provides proportional fairness among the users in terms of both the ergodic achievable rate and the average harvested energy. Furthermore, we propose an order-based equal throughput (ET) fair scheduler, which schedules the user having the minimum moving average throughput out of the users whose N-SNR orders fall into a given set of allowed orders. We show that this scheme provides the users with proportionally fair average harvested energies. In this context, we also derive feasibility conditions for achieving ET with the order-based ET scheduler. Using the theory of order statistics, the average per-user harvested energy and ergodic achievable rate of all proposed scheduling schemes are analyzed and obtained in closed form for independent and non-identically distributed Rayleigh, Ricean, Nakagami-m, and Weibull fading channels. Our closed-form analytical results are corroborated by simulations.

研究の動機と目的

• マルチユーザーSWIETシステムにおけるシステム容量とエネルギー回収のトレードオフを解決すること。
• 従来のスケジューリング方式（例：max-SNR、ラウンドロビン）を拡張し、情報伝送とエネルギー伝送を同時に最適化すること。
• 調整可能なパラメータjを導入することで、割り当ての公平性とエネルギー効率を実現し、レート-エネルギートレードオフを制御すること。
• i.n.d. RiceanおよびRayleigh fadingチャネルにおけるエゴスティック容量と平均回収エネルギーを分析すること。

提案手法

• 情報伝送に用いるユーザーとして、SNRが上昇順にj番目に小さいユーザー（j番目に良いチャネル品質）を選択する順序ベースのSNRスケジューリングを提案する。
• 正規化SNR（平均に対する相対的なSNR）の順序に基づくN-SNRスケジューリングを導入し、j番目に順序付けられた正規化SNRを持つユーザーをスケジューリングする。
• 順序統計理論を適用し、i.n.d. Rayleigh fadingにおいてエゴスティック容量および平均回収エネルギーの閉形式表現を導出する。
• ベースライン方式（ラウンドロビン（RR）および等スループット（ET））のスケジューリングを、統合WIET環境下で分析する。
• システムレベルのシミュレーションを用いて、解析結果の妥当性を検証し、さまざまなフェージング条件における性能トレードオフを評価する。
• ユーザー数Nおよびスケジューリング順序jがシステム容量および総回収エネルギーに与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最良のユーザーではなくj番目に良いユーザーを選択するスケジューリングが、SWIETシステムにおけるエゴスティック容量および平均回収エネルギーに与える影響は何か？
• RQ2 順序ベースのスケジューリング下で、ユーザー数Nの増加がシステムのレート-エネルギー性能に与える影響は何か？
• RQ3 順序ベースのN-SNR方式は、絶対SNRスケジューリングと比較して、公平性およびエネルギー効率の観点でどのように異なるか？
• RQ4 ベースライン方式（RRおよびET）と本稿で提案する順序ベースの方式との間に、容量およびエネルギー回収の観点でどの程度の性能ギャップが生じるか？

主な発見

• 順序ベースのSNR/N-SNRスケジューリングにおけるjの値を小さくすることで、平均回収エネルギーは上昇するが、エゴスティックシステム容量は低下する。これにより、調整可能なレート-エネルギートレードオフが実現可能となる。
• 順序ベースのN-SNR方式は、チャネル状態が異なるユーザー間でも比例的公平性を達成できる。これに対してmax-SNR方式は強いチャネルに偏る。
• j=1の場合、ユーザー数Nが増加するにつれて平均回収エネルギーは増加するが、選択されるのが最も弱いチャネルであるため、MUD損失によりエゴスティック容量は低下する。
• j=Nの場合、選択されるのが最も強いチャネルであるため、MUD利得によりエゴスティック容量はNの増加に伴い増加する。同時に、総回収エネルギーも増加する。
• 中間のj（例：j=N/2）では、N≥8の範囲でシステム容量はほぼ一定を保ち、バランスの取れたトレードオフが達成されていることが示された。
• 絶対SNRと正規化SNRスケジューリングの間には性能差がほとんどないが、N-SNRスケジューリングは優れた公平性を示すため、実用的には好ましい。