[論文レビュー] Stability Analysis of Slotted Aloha with Opportunistic RF Energy Harvesting

Abdelrahman M. Ibrahim, Özgür Erçetin+1 more|Sabanci University|Jan 27, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、2種類のノード（タイプI：無限のエネルギー、タイプII：RFエネルギー収集のみ）を持つスロットドAlohaネットワークの安定性を分析する。半二重モードおよび全二重モードでのエネルギー収集を想定し、等価システムモデルを提案して、安定スループット領域の内包境界を導出する。シミュレーションでは、特に有限バッテリ容量を有する全二重モードにおいて、内包境界がシステム安定性を正確に予測していることが確認された。

ABSTRACT

Energy harvesting (EH) is a promising technology for realizing energy efficient wireless networks. In this paper, we utilize the ambient RF energy, particularly interference from neighboring transmissions, to replenish the batteries of the EH enabled nodes. However, RF energy harvesting imposes new challenges into the analysis of wireless networks. Our objective in this work is to investigate the performance of a slotted Aloha random access wireless network consisting of two types of nodes, namely Type I which has unlimited energy supply and Type II which is solely powered by an RF energy harvesting circuit. The transmissions of a Type I node are recycled by a Type II node to replenish its battery. We characterize an inner bound on the stable throughput region under half-duplex and full-duplex energy harvesting paradigms as well as for the finite capacity battery case. We present numerical results that validate our analytical results, and demonstrate their utility for the analysis of the exact system.

研究の動機と目的

• 別のノードの干渉からRFエネルギーを収集するノードを有するスロットドAlohaネットワークの安定性を分析すること。
• 非理想的なエネルギー収集および有限バッテリ制約を有するエネルギー収集ランダムアクセスネットワークにおける相互作用するキューのモデル化の課題に対処すること。
• 正確なシステムの複雑さにかかわらず、安定領域の解析的特徴付けを可能にする等価システムモデルの開発。
• 等価システムおよび正確システムモデルの両方のシミュレーションを通じて、解析的内包境界の妥当性を検証すること。
• エネルギー供給が不均一なRFエネルギー収集ネットワークにおけるメディアアクセスプロトコルの設計インサイトを提供すること。

提案手法

• エネルギー収集ノード（タイプII）をそのバッテリダイナミクスから分離することで、解析的取り扱いが可能となる等価システムモデルを提案。
• 確率的優位性技術を用いて、半二重および全二重モードにおける安定領域の内包境界を導出。
• タイプIノード（無限のエネルギー）とタイプIIノード（エネルギー制約）の2つの相互作用するキューとしてシステムをモデル化し、送信成功確率を干渉に依存させる。
• エネルギー収集プロセスおよびバッテリ容量制約を考慮したキューのサービスレートに基づいて、安定性条件を導出。
• 全二重動作および有限バッテリ効果を捉える一般化システムモデル（S_G）を導入し、安定領域の内包境界の導出を可能にする。
• 等価システム（S_G）および正確システム（S_O）の両方のシミュレーションを通じて、解析結果を検証し、キュー長およびサービスレートを比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 干渉から得る機会的RFエネルギー収集は、エネルギー制約のあるノードを有するスロットドAlohaネットワークの安定性にどのように影響するか？
• RQ2 有限バッテリ容量を有する半二重モードと全二重モードのエネルギー収集環境下で、達成可能な安定スループット領域は何か？
• RQ3 相互作用するキューおよびエネルギー収集ダイナミクスを有する正確システムの安定性行動を、等価システムモデルが正確に予測できるか？
• RQ4 等価システムに対して導出された安定性条件は、正確システムの実際の安定性とどのように関係しているか？
• RQ5 エネルギー収集効率および送信電力は、システムの安定動作領域にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 等価システム（S_G）に対して導出した安定領域の内包境界は、平均キュー長のシミュレーションにより、正確システム（S_O）の安定動作を正確に捉えていることが確認された。
• 全二重モードでは、タイプIIノードのキューに対する安定性条件は十分であるが、必要ではないため、内包境界は保守的ではあるが信頼性が高い。
• タイプIノードのキューに対する安定性条件は、すべてのシステムバリアント（S_D, S_G, S_O）において必要かつ十分であり、タイトな制約であることが示された。
• シミュレーションにより、内包境界領域内では平均キュー長の合計が有界に保たれている一方、領域外では無限に増大することが確認され、領域の有効性が裏付けられた。
• 半二重モードでは、タイプIIキューの最大サービスレートが安定領域の境界で達成されるが、全二重モードでは境界を超えて達成可能であることが示され、内包境界の保守的性質が支持された。
• サンプルパスシミュレーションにより、不安定なキュー動作（無限増大）は安定領域外でのみ発生することが確認され、解析的閾値の妥当性が裏付けられた。