[論文レビュー] Wireless Information and Power Transfer Design for Energy Cooperation Distributed Antenna Systems

Fangchao Yuan, Shi Jin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、エネルギー回収（EH）およびスマートグリッド統合を備えた分散アンテナシステム（DAS）における同時無線情報・電力伝送（SWIPT）の最適エネルギー協調戦略を提案する。EHおよびグリッド制約下で、送信電力割り当てと電力分割を共同最適化することにより、最小エネルギー伝送要件を満たしつつ、最大のダウンリンク情報伝送レートを達成する。主な貢献は、グリーディーやウォーター・フィリング方式を凌駕する二重しきい値電力割り当てポリシーの導入である。

ABSTRACT

Distributed antenna systems (DAS) have been widely implemented in state-of-the-art cellular communication systems to cover dead spots. Recent studies have also indicated that DAS have advantages in wireless energy transfer (WET). In this paper, we study simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) for a multiple-input single-output (MISO) DAS in the downlink which consists of arbitrarily distributed remote antenna units (RAUs). In order to save the energy cost, we adopt energy cooperation of energy harvesting (EH) and two-way energy flows to let the RAUs trade their harvested energy through the smart grid network. Under individual EH constraints, per-RAU power constraints and various smart grid considerations, we investigate a power management strategy that determines how to utilize the stochastically spatially distributed harvested energy at the RAUs and how to trade the energy with the smart grid simultaneously to supply maximum wireless information transfer (WIT) with a minimum WET constraint for a receiver adopting power splitting (PS). Our analysis shows that the optimal design can be achieved in two steps. The first step is to maximize a new objective that can simultaneously maximize both WET and WIT, considering both the smart grid profitable and smart grid neutral cases. For the grid-profitable case, we derive the optimal full power strategy and provide a closed-form result to see under what condition this strategy is used. On the other hand, for the grid-neutral case, we illustrate that the optimal power policy has a double-threshold structure and present an optimal allocation strategy. The second step is then to solve the whole problem by obtaining the splitting power ratio based on the minimum WET constraint. Simulation results are provided to evaluate the performance under various settings and characterize the double-threshold structure.

研究の動機と目的

• 分散アンテナシステム（DAS）における不安定で断続的なエネルギー回収の課題に対処するため、二方向エネルギー取引が可能なスマートグリッド統合を実施する。
• 空間的に分散したリモートアンテナユニット（RAU）を任意に配置した複数入力単一出力（MISO）DASにおいて、無線情報伝送（WIT）と無線エネルギー伝送（WET）を共同最適化する。
• 個々のエネルギー因果性制約、RAUごとの電力制約、最小WET要件を満たしつつ、スマートグリッドの利益性と中立性を活用する。
• エネルギー回収電力とグリッド電源をRAUに最適に割り当て、WIT性能を最大化する電力管理戦略を設計する。

提案手法

• 二段階最適化を定式化：まず、スマートグリッドの利益性と中立性を考慮したWIT/WETの統合的最適化を実施し、次に最小WET制約を満たすために電力分割（PS）比を調整する。
• スマートグリッド利益性の場合、閉形式のフルパワー送信戦略を導出する。
• スマートグリッド中立性の場合、最適電力ポリシーが二重しきい値構造を有することを証明し、それに応じた割り当て戦略を提案する。
• 低効率な電力送電条件下でのエネルギー共有効率を分析し、ポリシー意思決定を支援するために修正されたジェンセンの不等式を用いる。
• 二分探索ベースのアルゴリズムを用いて、最小WET制約を満たす最適PS比を効率的に計算する。
• 異なるRAU数と送信効率の下で、数値シミュレーションを用いて提案ポリシーとグリーディーおよびウォーター・フィリングベンチマークを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的に分散したリモートアンテナユニット（RAU）を有する分散アンテナシステムにおいて、環境からのRF信号から回収したエネルギーを最適に管理する方法は何か？
• RQ2 個々のRAUの電力制約およびエネルギー因果性制約下で、エネルギー回収とスマートグリッド取引の両方が利用可能な状況における最適電力割り当てポリシーは何か？
• RQ3 スマートグリッド中立的条件下で、電力割り当てに二重しきい値構造が出現する理由は何か？また、その構造がWITとWETのバランスをどのように果たすか？
• RQ4 変動するエネルギー送信効率の下で、提案された最適ポリシーがグリーディーやウォーター・フィリングなどの劣化したベンチマークに対して、どの程度の性能向上を達成するか？
• RQ5 SWIPT対応DASにおいて、電力分割比がWITレートとWET性能のトレードオフにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 提案された二重しきい値電力割り当てポリシーは、グリーディーやウォーター・フィリング方式を著しく上回り、特に電力送信効率が低い場合（η=0.8）に顕著な優位性を示す。
• スマートグリッドが利益をもたらす場合、最適戦略はフルパワー送信であり、閉形式で導出され、グリッドのエネルギー価格構造に依存する。
• スマートグリッド中立的条件下では、最適ポリシーは最大電力、ゼロ電力、または二重しきい値構造を持つ混合割り当てのいずれかの形を取る。
• 二重しきい値構造は、送信効率が高いためにのみ、効率的なエネルギー共有を可能とし、ηが低い場合には損失を回避する。
• シミュレーション結果から、η=0.8であっても、提案ポリシーは理想状態（η=1）に近いSWIPT性能を維持しており、グリッド送電におけるエネルギー損失に対して高いロバストネスを示す。
• WIT-WETトレードオフ領域の分析から、PS比が上昇するに従い、WITレートはWET性能よりも速やかに向上することが明らかになった。特にRAU数が多い場合には顕著である。