[論文レビュー] On Information and Energy Cooperation in Energy Harvesting Cognitive Radio

Jeya Pradha J, Sanket S. Kalamkar+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2015

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、エネルギー効率の良い認知的無線ネットワークにおける連携的情報およびエネルギー協力フレームワークを提案する。このフレームワークでは、セカンダリユーザーがプライマリユーザーのデータをリレーやし、プライマリユーザーからエネルギーを受信することで協力を継続する。本手法は、両ユーザーのレート保証と有限なバッテリ容量制約のもとでプライマリユーザーのレートを最大化し、情報のみの協力と比較してエネルギー協力が協力領域を著しく拡大し、プライマリユーザーのレートを向上させることを示している。

ABSTRACT

This paper considers the cooperation between primary and secondary users at information and energy levels when both users are energy harvesting nodes. In particular, a secondary transmitter helps relaying the primary message, and in turn, gains the spectrum access as a reward. Also, the primary transmitter supplies energy to the secondary transmitter if the latter is energy-constrained, which facilitates an uninterrupted cooperation. We address this two-level cooperation over a finite horizon with the finite battery constraint at the secondary transmitter. While promising the rate-guaranteed service to both primary and secondary users, we aim to maximize the primary rate. We develop an iterative algorithm that obtains the optimal offline power policies for primary and secondary users. To acquire insights about the structure of the optimal solution, we examine specific scenarios. Furthermore, we investigate the effects of the secondary rate constraint and finite battery on the primary rate and the probability of cooperation. We show that the joint information and energy cooperation increases the chances of cooperation and achieves significant rate gains over only information cooperation.

研究の動機と目的

• セカンダリユーザーがリレーデータを送信するのに十分なエネルギーを確保できない場合に生じる信頼性の低い協力の課題に対処する。
• プライマリユーザーとセカンダリユーザーの間で、情報共有とエネルギー共有を同時に実行する二段階協力方式を導入し、システムの信頼性とスペクトル効率を向上させる。
• 有限時間スパン内において、プライマリユーザーのデータレートを最大化すると同時に、プライマリユーザーおよびセカンダリユーザーの最小レート制約を満たす。
• セカンダリ送信機における有限なバッテリ容量を考慮し、エネルギーの蓄積制限と協力の持続可能性への影響を明確にする。
• エネルギーと情報の制約が連携する状況下で、最適なパワー制御方針を計算するためのオフライン最適化フレームワークを開発する。

提案手法

• プライマリユーザーのレートを最大化するためのオフライン最適化問題を定式化し、セカンダリユーザーのレート制約と有限なバッテリ容量を制約条件に含める。
• プライマル分解法を用いて連携問題を分解し、プライマリおよびセカンダリ送信機における最適パワー割り当てを反復的に解く。
• プライマリおよびセカンダリノードにおけるエネルギー効率の良い収集を確率的エネルギー可用性（1スロットあたり50％の確率）でモデル化し、プライマリユーザーからセカンダリユーザーへのエネルギー転送効率αを組み込む。
• Nスロットの有限時間枠を用い、エネルギー状態およびチャネル状態を事前に把握可能（オフライン最適化）と仮定することで、最適ポリシーの導出を可能にする。
• エネルギー因果性制約を組み込み、セカンダリユーザーが蓄積したエネルギー（収集した分＋プライマリユーザーから受信した分）を超えて送信しないことを保証する。
• 非負のパワー割り当てを保証し、エネルギー因果性およびバッテリ容量制約を満たすために、[x]+表記を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー効率の良い認知的無線ネットワークにおいて、情報のみの協力と比較して、連携的情報およびエネルギー協力は、実現可能なレート領域をどのように改善するか？
• RQ2 セカンダリユーザーのレート制約が、協力の成功確率およびプライマリユーザーのレートに与える影響は何か？
• RQ3 セカンダリユーザーに有限なバッテリ容量がある場合、協力の実現可能性と性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 どのようなチャネル状態およびエネルギー条件のもとで、仮想的な双方向エネルギー協力がプライマリユーザーとセカンダリユーザーの間で発生するか？
• RQ5 情報のみの協力と比較して、エネルギー協力はプライマリユーザーのレートをどの程度向上させるか？

主な発見

• 連携的情報およびエネルギー協力により、実現可能なレート領域が拡大され、情報のみの協力時と比較して、セカンダリユーザーのレートは最大2.51 nats/slot/Hzまで向上する。
• エネルギー協力により協力の確率が顕著に向上し、プライマリユーザーのエネルギー転送によりエネルギー制約のあるセカンダリユーザーが活動を維持し、リレーが可能になる。
• セカンダリユーザーの有限なバッテリ容量は、エネルギー協力の利点を制限する。バッテリ容量が大きいほどプライマリユーザーのレート向上が顕著となり、一定の容量を超えると利得の増加が鈍くなる。
• エネルギー協力により、セカンダリユーザーのレート制約が増加しても、プライマリユーザーはより高いデータレートを達成可能となる。これは、信頼性の向上と持続可能なリレー能力のおかげである。
• PT-PRリンクがST-PRリンクよりも良好な場合、収集したエネルギー量およびチャネル状態に応じて、仮想的な双方向エネルギー協力が発生する可能性がある。
• 情報のみの協力と比較して、連携的協力におけるプライマリユーザーのレートは顕著に上回り、特にセカンダリユーザーのバッテリ容量が大きく、エネルギー転送効率αが高い場合に顕著である。