[論文レビュー] Optimizing Energy-Harvesting Hybrid VLC/RF Networks with Random Receiver Orientation

Amir Hossein Fahim Raouf, Chethan Kumar Anjinappa+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2023

Optical Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、エネルギー回収リレーデバイスを備えたハイブリッドVLC/RFネットワークにおけるDCバイアスと時間割り当ての共同最適化を提案し、受信機の方向のランダム性を考慮する。非凸最適化問題を周期的サブ問題に分解し、一様な方向分布下での平均データレートに対して閉形式の式を導出することで、特にリレーデバイスが遠距離にあり、ビーム幅が広い状況において、DCバイアスのみの最適化に比べて高いデータレートを達成する。

ABSTRACT

This paper investigates an indoor hybrid visible light communication (VLC) and radio frequency (RF) scenario with two-hop downlink transmission. A light emitting diode (LED) transmits both data and energy via VLC to an energy-harvesting relay node, which then uses the harvested energy to retransmit the decoded information to an RF user in the second phase. The design parameters include the direct current (DC) bias and the time allocation for VLC transmission. We formulate an optimization problem to maximize the data rate under decode-and-forward relaying with fixed receiver orientation. The non-convex problem is decomposed into two sub-problems, solved iteratively by fixing one parameter while optimizing the other. Additionally, we analyze the impact of random receiver orientation on the data rate, deriving closed-form expressions for both VLC and RF rates. An exhaustive search approach is employed to solve the optimization, demonstrating that joint optimization of DC bias and time allocation significantly enhances the data rate compared to optimizing DC bias alone.

研究の動機と目的

• リレーデバイスにエネルギー収集機能を備えた二ホップハイブリッドVLC/RF通信を可能にすることで、屋内エネルギー制限付き無線ネットワークの性能ボトルネックを解消する。
• 遠方のRFユーザーにおけるデータレートを最大化するため、DCバイアスとVLC伝送時間の両方を共同で最適化する問題を定式化する。
• 先行研究でしばしば無視される、ランダムな受信機の向きがハイブリッドVLC/RFシステムにおける実現可能データレートに与える影響を調査する。
• 一様な受信機の向き分布下で、平均VLCおよびRFデータレートの閉形式式を導出し、解析的で実行可能なシステム設計と最適化を可能にする。
• DCバイアスと時間割り当ての共同最適化がDCバイアスのみの最適化を上回ることを、体系的な探索により実証する。特に、厳しいチャネル条件下で顕著な性能向上が得られる。

提案手法

• 二段階伝送モデルを定式化する：第一段階では、VLCリンクがデータとエネルギーをエネルギー回収リレーデバイスに送信する。第二段階では、リレーデバイスが回収したエネルギーを用いて、RF伝送により遠方のユーザーにデータを中継する。
• リレーデバイスのVLCおよびRF伝送からのエネルギー回収をモデル化する。RF伝送フェーズ中も継続的なDCバイアス電力を供給することで、継続的なエネルギー収集をサポートする。
• DCバイアスとVLC時間長の非凸共同最適化問題を、二つの周期的サブ問題に分解する。まず、時間長を固定して、主要化最小化（MM）法によりDCバイアスを最適化し、次にDCバイアスを固定して時間長を最適化する。
• リレーデバイスの向きをランダムに一様分布と仮定し、実世界の移動性やデバイスのずれをモデル化する。その後、平均VLCおよびRFデータレートの閉形式下限を導出する。
• 正確な積分表現とモンテカルロシミュレーションを用いて、導出された閉形式式の妥当性を検証し、確率的向きの下でも解析的正確性を保証する。
• DCバイアスと時間長の全探索を実施し、最適パラメータを同定する。評価は、リレーデバイスの距離、ビーム幅、向きの範囲の変動を想定して実施する。

Figure 1 : The system model for the considered VLC-RF transmission scenario. The VLC link carries both data and energy to the relay node. The harvested energy is then used at the relay node to forward the data to the far RF user.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダムな受信機の向きは、ハイブリッドVLC/RFエネルギー回収リレーネットワークにおける実現可能データレートにどのように影響を与えるか？
• RQ2 遠方のRFユーザーにおけるデータレートを最大化するため、VLCリンクにおけるDCバイアスと時間割り当ての最適なトレードオフは何か？
• RQ3 DCバイアスとVLC伝送時間長の共同最適化は、DCバイアスのみの最適化よりも高いデータレートを達成できるか？
• RQ4 LEDの半パワービーム幅が、ランダムな受信機の向き下でのシステム性能に与える影響は何か？
• RQ5 RF伝送フェーズ中にエネルギーを回収することは、全体のデータレートおよびシステムの信頼性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案手法であるDCバイアスとVLC時間長の共同最適化は、DCバイアスのみの最適化に比べて高いデータレートを達成する。特にリレーデバイスがLEDから遠く離れている場合に顕著である。
• ランダムな受信機の向きは、実現可能データレートを顕著に低下させる。特に、向きの範囲（θ₂）が10°から50°に拡大するに従い、最適データレートが減少する。
• RF伝送フェーズ中にエネルギーを回収する（ケース1およびケース3）ことで、最適データレートが向上する。特に、リレーデバイスの距離が増加し、VLCチャネルゲインが低下する状況で顕著である。
• リレーデバイスが d_r = 0 m に位置する場合、半パワービーム幅（Φ）を60°から90°に増加させると、チャネルゲインが低下するため、実現可能データレートが減少する。一方、d_r = 4 m では、広いビーム幅が性能維持に寄与するようになる。
• 平均VLCおよびRFデータレートの導出された閉形式式は、シミュレーション結果および正確な積分評価とよく一致しており、解析モデルの妥当性が裏付けられる。
• RF伝送フェーズにおけるエネルギー回収を無視し、時間長を適応的に調整しない場合、特に d_r = 4 m の場合に1 Mbpsのデータレート閾値を満たさない。

Figure 2 : The transmission block under consideration with consecutive time periods dedicated for VLC (relay) and RF (access) links. The VLC link is used both as a backhaul to relay the data and for energy harvesting.