[論文レビュー] Performance Analysis of Near-Optimal Energy Buffer Aided Wireless Powered Communication

Rania Morsi, Diomidis S. Michalopoulos+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、無線給電通信システムにおけるエネルギー効率化（EH）ノードのための低複雑性オンライン送信ポリシー2つ—ベストエフォートおよびオフ・オン—を提案し、分析する。離散時間連続状態マルコフ連鎖を用いて、Nakagami-m fadingチャネルにおけるエネルギーバッファ分布およびアウトージェ確率の極限分布を導出する。その結果、チャネル状態やエネルギー収集プロファイルの事前知識がなくても、ベストエフォートポリシーは低〜中程度のアウトージェレベルでオフ・オンポリシーを上回り、近似的に最適性能に近い性能を達成することが示された。

ABSTRACT

In this paper, we consider a wireless powered communication system, where an energy harvesting (EH) node harvests energy from a radio frequency (RF) signal broadcasted by an access point (AP) in the downlink (DL). The node stores the harvested energy in an energy buffer and uses the stored energy to transmit data to the AP in the uplink (UL). We investigate two simple online transmission policies for the EH node, namely a best-effort policy and an on-off policy, which do not require knowledge of the EH profile nor channel knowledge. In particular, for both policies, the EH node transmits in each time slot with a constant desired power if sufficient energy is available in its energy buffer. Otherwise, the node transmits with the maximum possible power in the best-effort policy and remains silent in the on-off policy. For both policies, we use the theory of discrete-time continuous-state Markov chains to analyze the limiting distribution of the stored energy for finite- and infinite-size energy buffers. We provide this limiting distribution in closed form for a Nakagami-m fading DL channel and analyze the outage probability for a Nakagami-m fading UL channel. All derived analytical results are not limited to EH via RF WPT but are applicable for any independent and identically distributed EH process, originating from e.g. solar and wind energy. Our results reveal that, for low outage probabilities, the best-effort policy is superior to the on-off policy and the optimal constant UL transmit power of the EH node that minimizes the outage probability is always less than the average harvested power but increases with the capacity of the energy buffer. The opposite behaviour is observed for high outage probabilities. Furthermore, we show that the minimum outage probability of the two proposed policies closely approaches the outage probability of the optimal offline power allocation policy.

研究の動機と目的

• エネルギー収集（EH）プロファイルや上行リンク（UL）チャネル状態情報（CSI）の因果的知識を必要としない、低複雑性のオンライン送信ポリシーの設計を目的とする。
• Nakagami-m fading下でのエネルギーバッファ分布およびアウトージェ確率という観点から、これらのポリシーの性能を分析することを目的とする。
• アウトージェ性能およびエネルギー効率という観点から、ベストエフォートおよびオフ・オンポリシーを比較することを目的とする。
• 提案されたポリシーが、オフライン最適送信電力割り当てと比較して近似的に最適な性能を達成することを示すこと。
• 有限および無限サイズのバッファに対するエネルギーバッファの極限分布およびアウトージェ確率の閉形式式を導出すること。

提案手法

• エネルギーバッファの定常状態エネルギー分布を分析するため、EHノードのエネルギーバッファを離散時間連続状態マルコフ連鎖としてモデル化する。
• ダウンリンク信号からのRFエネルギー収集を、ガンマ分布に従うエネルギー収集プロセスとしてモデル化する。
• 積分方程式およびボルテラ型の定式化を用いて、バッファエネルギーの確率密度関数（pdf）および満充電時のアトムを導出する。
• 上行リンクにおけるNakagami-m fadingを用いて、定常状態エネルギー分布を用いてアウトージェ確率を導出する。
• バッファエネルギーの区分的pdfの係数を決定するため、線形方程式系を解く。これにより、単位面積正規化が保証される。
• 同一条件下でベストエフォートおよびオフ・オンポリシーの性能を比較し、エネルギー使用と信頼性のトレードオフを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーバッファ制約下において、ベストエフォートポリシーはオフ・オンポリシーと比べてアウトージェ確率でどのように異なるか？
• RQ2 バッファサイズが最適送信電力およびアウトージェ性能に与える影響は何か？
• RQ3 将来のエネルギー到着やチャネル状態の知識がなくても、低複雑性オンラインポリシーが近似的に最適な性能を達成できるか？
• RQ4 Nakagami-m fading下でのエネルギーバッファの極限分布の閉形式式は何か？
• RQ5 低エネルギー状態で送信を停止することで、システムの信頼性が向上する条件は何か？

主な発見

• 低〜中程度のアウトージェ確率領域では、ベストエフォートポリシーがオフ・オンポリシーを下回る低いアウトージェ確率を達成する。
• アウトージェを最小化する最適な定常UL送信電力は、常に平均収集電力未満であるが、バッファ容量が増加するにつれて増加する。
• 高アウトージェ確率領域では、エネルギーを将来の送信機会に備えて節約するため、オフ・オンポリシーがベストエフォートポリシーを上回る。
• 単純であるにもかかわらず、両ポリシーとも、オフライン最適電力割り当てによる理論的最小値に非常に近い近似的に最適なアウトージェ性能を達成する。
• Nakagami-m fading下でのエネルギーバッファの極限分布が閉形式で導出され、正確な性能解析が可能になる。
• 解析フレームワークは一般性を有し、太陽光および風力エネルギー収集を含む任意のi.i.d.エネルギー到着プロセスに適用可能である。