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

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

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、不均一な fading 環境下での同時無線情報・電力伝送（SWIPT）を実現するマルチユーザ下行リンクシステムに対して、順序ベースのスケジューリング方式を提案する。最大値ではなく上昇順のSNRまたは正規化SNR順にユーザーを選択することで、エルゴディック容量と回収エネルギーのバランスを図り、選択順序を低くすることでエネルギー回収を増加させるが、容量は減少する。順序ベースの等スループットスケジューラーは、両指標における公平性を保証する。

ABSTRACT

Radio frequency energy harvesting presents a viable solution for prolonging the lifetime of wireless communication devices. 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 scheduling schemes in which the tradeoff between the users ’ ergodic capacities and their average amount of harvested energy can be controlled. In particular, we modify the well-known maximum signal-to-noise ratio (SNR) and the 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 system capacity. The order-based N-SNR scheduling scheme provides proportional fairness among the users in terms of both the ergodic capacity 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. 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 capacity of all proposed scheduling schemes are analyzed and obtained in closed-form for heterogeneous (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

• マルチユーザ同時無線情報・電力伝送（SWIPT）システムにおけるエルゴディック容量と平均回収エネルギーのトレードオフを解消すること。
• 時間スロットド下行リンクシステムにおいて、容量-エネルギーのトレードオフを制御可能なスケジューリング方式を設計すること。
• 新規の順序ベーススケジューリングにより、ユーザー間におけるエルゴディック容量および回収エネルギーの比例的公平性を確保すること。
• 不均一な fading 条件（レイリー、ライス、ナカガミ-m、ワイブル）下での平均回収エネルギーおよびエルゴディック容量の閉形式式を導出すること。
• 順序ベース選択を用いた等スループットスケジューリングを達成するための可能性条件を確立すること。

提案手法

• 従来の最大SNRおよび最大正規化SNR（N-SNR）スケジューラーを変更し、選択順序パラメータを導入。最大値ではなく、k番目に小さいSNR/N-SNRを持つユーザーをスケジューリングする。
• スループットとエネルギー回収の両方をバランスさせるために、順序ベースのN-SNRスケジューラーを導入し、比例的公平性を実現する。
• N-SNR順序が事前に定義された許容順序集合内にあるユーザーの中で、移動平均スループットが最小のユーザーを選択する順序ベースの等スループット（ET）公平スケジューラーを提案。
• 順序統計理論を用いて、複数の fading 分布における平均ユーザーごとの回収エネルギーおよびエルゴディック容量の閉形式式を導出する。
• 提案された順序ベースETスケジューラー下での等スループットスケジューリングを達成するための可能性条件を定式化する。
• レイリー、ライス、ナカガミ-m、ワイブル fading 環境において、解析結果をシミュレーションで検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチユーザSWIPTシステムにおいて、エルゴディック容量と平均回収エネルギーのトレードオフをどのように制御できるか。
• RQ2 最大値ではなく上昇順のSNRまたはN-SNR順にユーザーを選択することで、システム性能にどのような影響を与えるか。
• RQ3 順序ベーススケジューリングは、ユーザー間におけるエルゴディック容量および回収エネルギーの両方で比例的公平性を達成できるか。
• RQ4 提案された順序ベースフレームワーク下で等スループットスケジューリングを達成するための可能性条件は何か。
• RQ5 不均一な fading 環境下での平均回収エネルギーおよびエルゴディック容量の閉形式式は何か。

主な発見

• 順序ベースSNR/N-SNRスケジューラーにおける低い選択順序は、エルゴディックシステム容量の低下を犠牲にしながら、平均回収エネルギー量を増加させる。
• 順序ベースN-SNRスケジューラーは、ユーザー間のエルゴディック容量および平均回収エネルギーの両方をバランスさせることで、比例的公平性を達成する。
• 順序ベース等スループットスケジューラーは、移動平均スループットと許容N-SNR順序集合に基づいてユーザーを選択することで、スループットの公平性を保ちつつエネルギー回収効率を維持する。
• 順序統計を用いて、レイリー、ライス、ナカガミ-m、ワイブル fading 環境下での平均ユーザーごとの回収エネルギーおよびエルゴディック容量の閉形式式が導出された。
• 等スループットスケジューリングを達成するための可能性条件が明確に導出され、許容N-SNR選択順序集合に依存する。
• シミュレーション結果は解析結果を裏付け、すべての考察された fading 分布において閉形式式の正確性が確認された。