[論文レビュー] Optimal Transmission Policies for Energy Harvesting Two-hop Networks

Oner Orhan, Elza Erkip|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2012

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 9被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、半二重リレーや非因果的エネルギー到着予測を有する二ホップエネルギー回収ネットワークにおける最適送信方策を提案する。非因果的エネルギー知識と凹型のレート-パワー関数を活用することで、エネルギーおよびデータの因果性制約のもとでエンドツーエンドのデータ送信量を最大化する最適なパワー割り当てとスケジューリングを導出する。シミュレーションでは、単純なタイムスロット方式に比べて顕著なスループット向上を達成する。

ABSTRACT

In this paper, a two-hop communication system with energy harvesting nodes is considered. Unlike battery powered wireless nodes, both the source and the relay are able to harvest energy from environment during communication, therefore, both data and energy causality over the two hops need to be considered. Assuming both nodes know the harvested energies in advance, properties of optimal transmission policies to maximize the delivered data by a given deadline are identified. Using these properties, optimal power allocation and transmission schedule for the case in which both nodes harvest two energy packets is developed.

研究の動機と目的

• エネルギーおよびデータの因果性制約のもとで、半二重リレーやエネルギー回収二ホップネットワークにおけるエンドツーエンドのデータ送信量を最大化すること。
• 送信元およびリレ一が将来のエネルギー到着を非因果的に把握している状況における最適送信方策を開発すること。
• 複数のエネルギー到着が発生する状況における最適方策の構造的性質を同定すること。
• 送信元およびリレ一にそれぞれ2回のエネルギー到着がある場合の閉形式解を導出すること。
• シャノン容量に基づくレート関数を用いて、シミュレーションによる性能向上を評価すること。

提案手法

• エネルギー回収送信元および半二重リレーを有する二ホップネットワークを定式化し、両者に無限大のバッテリおよびデータバッファを仮定する。
• エネルギー回収プロファイルの非因果的知識を仮定し、伝送レートに用いる厳密に凹型かつ増加関数であるパワー-レート関数 g(p) を使用する。
• ラグランジュ緩和およびKKT条件を用いて最適性の必要条件を導出し、最適パワー割り当てが区間ごとに一定であることを同定する。
• データ因果性またはエネルギー因果性が拘束的であるかどうかに応じて、送信元およびリレーのタイミングとエネルギーレベルに基づき最適方策を4つの領域に分類する。
• 時間区間を分割し、各セグメントにおける最適送信時間およびパワーレベルを解くことで最適化問題を解く。
• 最適化問題の幾何的解釈を用いて、送信元およびリレーのエネルギー状態のコーナーポイントの実行可能領域を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非因果的エネルギー知識を有する二ホップエネルギー回収ネットワークにおける最適送信方策を特徴づける構造的性質は何か？
• RQ2 送信元およびリレーに複数回のエネルギー到着が発生する場合、パワーおよび送信時間はどのように割り当てられるべきか？
• RQ3 エネルギーおよびデータの因果性制約のもとで、送信元またはリレーのどちらがデータ送信のボトルネックとなるかを決定づける条件は何か？
• RQ4 エネルギー到着のタイミングおよび大きさは、最適スケジューリングおよびパワー割り当てにどのように影響するか？
• RQ5 単純なタイムスロット送信方式に比べて、最適方策を用いることで達成可能な性能向上はどの程度か？

主な発見

• 最適方策はタイムスロット方式よりも高いスループットを達成し、さまざまなエネルギー到着レートにおいてシミュレーションで顕著な向上が確認された。
• 送信元およびリレーにそれぞれ2回のエネルギー到着がある場合、エネルギーおよびタイミングパラメータに基づく4つの異なる運用領域を有する制約付き最適化問題を解くことで、最適方策は完全に特徴づけられる。
• 最適送信スケジュールは、連続する時間区間における一定パワー割り当てを含み、エネルギーの可用性および因果性制約に応じて送信元とリレーの送信を切り替える。
• エネルギー到着が時間的に不均一に分布している場合、最適方策は有利なエネルギーおよびチャネル状態を活用できるため、性能向上が顕著に現れる。
• 2回のエネルギー到着に対する解は、複数到着ケースへの一般化の基盤を提供する。本稿では、その一般化は今後の課題として言及されている。
• 数値結果は、最適方策が常に単純な2スロットタイムスロット方式を上回ることを示しており、特にエネルギー回収が遅い場合や不均等な量のエネルギーが到着する場合に顕著である。