[論文レビュー] Throughput Optimal Policies for Energy Harvesting Wireless Transmitters with Non-Ideal Circuit Power

Jie Xu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2012

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 17被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、アクティブ時に固定の回路消費電力を要する非理想回路電力を持つエネルギー効率化無線送信機に対するスループット最適な電力割り当て方針を提案する。オフライン最適な二段階方針（まずエネルギー効率を最大化し、次にスペクトル効率を最大化）を構築し、部分的なエネルギー状態情報（ESI）を有するオンライン設定へと拡張し、エネルギー効率（EE）とスペクトル効率（SE）最適化がエネルギー効率化制約下で統合されることを明らかにする。

ABSTRACT

Characterizing the fundamental tradeoffs for maximizing energy efficiency (EE) versus spectrum efficiency (SE) is a key problem in wireless communication. In this paper, we address this problem for a point-to-point additive white Gaussian noise (AWGN) channel with the transmitter powered solely via energy harvesting from the environment. In addition, we assume a practical on-off transmitter model with non-ideal circuit power, i.e., when the transmitter is on, its consumed power is the sum of the transmit power and a constant circuit power. Under this setup, we study the optimal transmit power allocation to maximize the average throughput over a finite horizon, subject to the time-varying energy constraint and the non-ideal circuit power consumption. First, we consider the off-line optimization under the assumption that the energy arrival time and amount are a priori known at the transmitter. Although this problem is non-convex due to the non-ideal circuit power, we show an efficient optimal solution that in general corresponds to a two-phase transmission: the first phase with an EE-maximizing on-off power allocation, and the second phase with a SE-maximizing power allocation that is non-decreasing over time, thus revealing an interesting result that both the EE and SE optimizations are unified in an energy harvesting communication system. We then extend the optimal off-line algorithm to the case with multiple parallel AWGN channels, based on the principle of nested optimization. Finally, inspired by the off-line optimal solution, we propose a new online algorithm under the practical setup with only the past and present energy state information (ESI) known at the transmitter.

研究の動機と目的

• 非理想回路電力を持つエネルギー効率化無線システムにおけるエネルギー効率（EE）とスペクトル効率（SE）の根本的トレードオフを解明する。
• 時間変動するエネルギー供給と固定回路電力の下で、有限時間スパンにおける平均スループットを最大化する問題を定式化し、解法を提示する。
• エネルギー効率とスペクトル効率の最大化を二段階伝送戦略によって統合する最適なオフライン方策を開発する。
• 水位合わせ原理に基づくネスト型最適化フレームワークを用いて、複数の並列AWGNチャネルへの解法を拡張する。
• オフライン最適構造を模倣した、過去および現在のエネルギー状態情報（ESI）にのみ依存する実用的なオンラインアルゴリズムを提案する。

提案手法

• 非理想電力モデルを用いた送信機モデル化：合計電力 = 送信電力 + 定数回路電力（α）、停止モードでは電力ゼロ。
• エネルギー因果性制約と非理想回路電力の下で、平均スループットを最大化するオフライン最適化問題を定式化する。
• 最適解が二段階からなることを証明する：（1）EE最大化のオンオフ割り当て、（2）時間経過に伴い非減少となる電力割り当て。
• 凸緩和と双対性を用いて、スループット関数が送信電力に関して厳密に凹関数であることを示し、効率的な最適化を可能にする。
• 水位合わせ原理に基づくネスト型最適化フレームワークを用いて、複数の並列AWGNチャネルへの解法を拡張する。
• 過去および現在のエネルギー状態情報にのみ依存するオンラインアルゴリズムを設計し、オフライン最適方策の構造を模倣する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非理想回路電力が、理想モデルと比較してエネルギー効率化無線システムにおけるEE-SEトレードオフにどのように影響を与えるか？
• RQ2 時間変動するエネルギー供給と固定回路電力の下で、スループットを最大化する最適なオフライン電力割り当て方策は何か？
• RQ3 最適なオフライン方策は、エネルギー効率とスペクトル効率を別々に最適化する明確な段階に分解可能か？
• RQ4 オフライン最適構造は、部分的なエネルギー状態情報しか得られない実用的なオンラインアルゴリズムにどのように適合可能か？
• RQ5 提案されたオンラインアルゴリズムは、従来のエネルギー効率化システムにおける電力制御戦略と比較して、どの程度の性能向上を達成するか？

主な発見

• 最適なオフライン方策は二段階伝送から成る：まずエネルギー効率最大化のオンオフ割り当て、次にスペクトル効率最大化の非減少電力割り当て。
• 非理想回路電力の存在により、EE-SEトレードオフが根本的に変化し、両目的を統合する単一の最適方策が可能になる。
• 単一チャネルケースの最適解は、双対ギャップがゼロである凸最適化問題を解くことで得られ、グローバル最適性が保証される。
• 複数の並列AWGNチャネルでは、ネスト型最適化を用いて最適方策が導出され、階層的な形で水位合わせ電力割り当てが適用される。
• オフライン最適構造を模倣した本提案オンラインアルゴリズムは、過去および現在のエネルギー状態情報のみを用いて、ほぼ最適性能を達成する。
• スループット関数は送信電力に関して厳密に凹関数であるため、最適解の一意性と安定性が保証される。