[論文レビュー] Spatial Throughput of Mobile Ad Hoc Networks with Energy Harvesting

Kaibin Huang|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2011

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 1被引用数 20

ひとこと要約

本稿は、送信機がポアソン点過程に従い、均一な平均レートでエネルギーを回収する確率的幾何モデルを用いて、エネルギーハーベスティング型モバイルアドホックネットワークの空間スループットを分析する。エネルギー到着レートが送信パワーを上回る場合、送信確率は1に等しくなる。それ以外の場合は、エネルギー到着レートと送信パワーの比に等しくなることが証明され、中継制御を最適化することで、割り込み制約のもとでスループットを最大化する。

ABSTRACT

Designing mobiles to harvest ambient energy such as kinetic activities or electromagnetic radiation will enable wireless networks to be self sustaining besides alleviating global warming. In this paper, the spatial throughput of a mobile ad hoc network powered by energy harvesting is analyzed using a stochastic-geometry model. In this model, transmitters are distributed as a Poisson point process and energy arrives at each transmitter randomly with a uniform average rate called the energy arrival rate; upon harvesting sufficient energy, each transmitter transmits with fixed power to an intended receiver under an outage-probability constraint for a target signal-to-interference-and-noise ratio. It is assumed that transmitters store energy in batteries with infinite capacity. By applying the random-walk theory, the probability that a transmitter transmits, called the transmission probability, is proved to be equal to one if the energy-arrival rate exceeds transmission power or otherwise is equal to their ratio. This result and tools from stochastic geometry are applied to maximize the network throughput for a given energy-arrival rate by optimizing transmission power. The maximum network throughput is shown to be proportional to the optimal transmission probability, which is equal to one if the transmitter density is below a derived function of the energy-arrival rate or otherwise is smaller than one and solves a given polynomial equation. Last, the limits of the maximum network throughput are obtained for the extreme cases of high energy-arrival rates and dense networks. Index Terms Energy harvesting, mobile ad hoc networks, throughput, power control, stochastic processes, mobile communication I.

研究の動機と目的

• エネルギー回収で駆動されるモバイルアドホックネットワークの空間スループットをモデル化・分析すること。
• エネルギー到着レートと送信機密度がネットワークの送信確率およびスループットに与える影響を理解すること。
• 割り込み制約のもとで送信パワーを最適化し、ネットワークスループットを最大化すること。
• 高いエネルギー到着レートおよび高密度ネットワーク環境下での最大達成可能スループットを導出すること。

提案手法

• モバイルアドホックネットワークにおけるランダムな空間分布を表現するため、送信機をポアソン点過程としてモデル化する。
• ランダムウォーク理論を用いて、エネルギー到着レートと送信パワーに基づく送信確率を導出する。
• 確率的幾何のツールを適用して、信号対インターフェレンスおよびノイズ比（SINR）と割り込み確率を分析する。
• 送信確率と送信機密度を関数としてネットワークスループットを定式化する。
• 目標とする割り込み確率およびエネルギー到着制約のもとで、スループットを最大化する送信パワーを最適化する。
• 送信機密度がしきい値を超える場合、送信確率を求めるために多項方程式を解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーが均一な平均レートで到着するエネルギーハーベスティング型モバイルアドホックネットワークにおいて、送信機の送信確率は何か？
• RQ2 空間スループットを最大化するために、最適な送信パワーはエネルギー到着レートおよび送信機密度に対してどのようにスケーリングされるか？
• RQ3 高いエネルギー到着レートおよび高密度ネットワーク展開下で、最大達成可能空間スループットは何か？
• RQ4 エネルギー到着レートが送信パワー要件を下回る場合、送信確率はどのように変化するか？

主な発見

• エネルギー到着レートが送信パワーを上回る場合、送信確率は1に等しくなる。それ以外の場合は、エネルギー到着レートと送信パワーの比に等しくなる。
• 最大ネットワークスループットは、最適送信確率に比例し、エネルギー到着レートと送信機密度の相互作用に依存する。
• 送信機密度がエネルギー到着レートの導出されたしきい値関数以下である場合、最適送信確率は1である。
• より高い送信機密度の下では、最適送信確率は1未満であり、特定の多項方程式を解くことで決定される。
• 高いエネルギー到着レートの極限において、最大空間スループットは完全に駆動されたネットワークのスループットに近づく。
• 高密度ネットワークの極限において、最大空間スループットはエネルギー制約のもとで送信機密度の平方根に比例してスケーリングする。