[論文レビュー] User Cooperation in Wireless Powered Communication Networks

Hyungsik Ju, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 11被引用数 32

ひとこと要約

本稿は、近距離ユーザーが収集したエネルギーと割り当てられた時間を使って遠距離ユーザーのデータをリレーギーするユーザー協調方式を、2ユーザーの無線駆動通信ネットワーク（WPCN）に提案する。この方式は、重み付き和レート（WSR）を最大化するために、時間とパワーの割り当てを最適化し、二重近距離・遠距離問題を効果的に緩和する。非協調的WPCN設計と比較して、スループットと公平性の両方を向上させる。

ABSTRACT

This paper studies user cooperation in the emerging wireless powered communication network (WPCN) for throughput optimization. For the purpose of exposition, we consider a two-user WPCN, in which one hybrid access point (H-AP) broadcasts wireless energy to two distributed users in the downlink (DL) and the users transmit their independent information using their individually harvested energy to the H-AP in the uplink (UL) through time-division-multiple-access (TDMA). We propose user cooperation in the WPCN where the user which is nearer to the H-AP and has a better channel for DL energy harvesting and UL information transmission uses part of its allocated UL time and DL harvested energy to help to relay the far user's information to the H-AP, in order to achieve more balanced throughput optimization. We maximize the weighted sum-rate (WSR) of the two users by jointly optimizing the time and power allocations in the network for both wireless energy transfer in the DL and wireless information transmission and relaying in the UL. Simulation results show that the proposed user cooperation scheme can effectively improve the achievable throughput in the WPCN with desired user fairness.

研究の動機と目的

• 下り行のエネルギー収集と上り行の情報伝送における非対称路損失によって引き起こされる二重近距離・遠距離問題に対処すること。
• エネルギー制約のあるWPCNにおいてユーザー協調を可能にすることで、システムの公平性と全体的なスループットを向上させること。
• 下り行のエネルギー伝送と上り行の情報伝送（リレー付き）における時間とパワーの割り当てを共同最適化すること。
• 全時間と全エネルギーの制約下で重み付き和レート（WSR）を最大化すること。
• 解析的およびシミュレーション結果を通じて、非協調的WPCN方式と比較して協調方式がもたらす性能向上を示すこと。

提案手法

• 1つのハイブリッドアクセスポイント（H-AP）と2つのユーザーからなる2ユーザーWPCNをモデル化し、H-APが下り行でRFエネルギーをブロードキャストし、ユーザーがTDMAを用いて上り行でデータを送信する。
• 近距離ユーザー（U2）が上り行の一部の時間と収集したエネルギーを用いて、遠距離ユーザー（U1）のデータをH-APにリレーし、その後自身のデータを送信する協調プロトコルを導入する。
• リレーと直接伝送のための時間割り当て（τ₀, τ₁, τ₂₁, τ₂₂）とパワー割り当て（t₂₁, t₂₂）を共同最適化することでWSRを最大化する最適化問題を提案する。
• 最適性のためのカールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を導出し、変数変換と反復的手法を用いて非凸問題を解く。
• 変数変換 z₁ = τ₀/τ₁, z₂₁ = ρ₂·t₂₁/τ₂₁, z₂₂ = ρ₂·t₂₂/τ₂₂ を用いて元の問題を解ける形に変換し、最適時間とパワー割り当ての閉形式表現を導出する。
• 上り行におけるレート寄与をモデル化する関数 f(z) = ln(1+z) - z/(1+z) を用いることで、最適化の解析的取り扱いを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WPCNにおけるユーザー協調は、下り行のエネルギー伝送と上り行の情報伝送における非対称路損失によって引き起こされる二重近距離・遠距離問題を効果的に緩和できるか？
• RQ2 非協調的WPCN方式と比較して、ユーザー協調は重み付き和レート（WSR）をどのように向上させるか？
• RQ3 協調的WPCNにおいて、エネルギー伝送、リレー、直接伝送のための最適な時間とパワーの共同割り当ては何か？
• RQ4 提案された方式は、到達可能レートの観点から近距離ユーザーと遠距離ユーザーの間の公平性をどのように向上させるか？
• RQ5 提案された時間とパワー割り当て戦略のグローバル最適性の解析的条件は何か？

主な発見

• 提案されたユーザー協調方式は、[6]の非協調ベースラインと比較して、特に遠距離ユーザーに利益をもたらす高い重み付き和レート（WSR）を達成する。
• この方式は、二重近距離・遠距離問題によって引き起こされる不平等なレート割り当てを効果的に緩和し、近距離ユーザーと遠距離ユーザーの間でスループットをバランスさせる。
• KKT条件を用いて最適時間とパワー割り当てが導出され、関数 f(z) の単調性解析と変数変換により閉形式解が得られる。
• 解の結果、近距離ユーザーが自らの収集エネルギーと時間の一部を遠距離ユーザーの支援に使用することで、リレー機能が最も効果的であることが示される。これにより、全体のスペクトル効率が向上する。
• シミュレーション結果は、協調プロトコルが到達可能スループット領域を顕著に改善し、ユーザー性能のよりバランスの取れた実現を可能にすることを確認する。
• 最適時間割り当てにより、近距離ユーザーが上り行の一部の時間をリレーに割り当て、残りの時間は自身のデータ送信に使用され、パワー割り当てもそれに応じて最適化される。