[論文レビュー] Wireless Powered Communications with Finite Battery and Finite Blocklength

Onel L. Alcaraz López, Evelio Fernández+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 62被引用数 4

ひとこと要約

本稿は有限バッテリ容量および有限ブロック長制約下における無線電力通信ネットワークを調査し、誤り確率とエネルギー効率を顕著に向上させるパワー制御プロトコルを提案する。ナカガミ-m fading下でのエネルギー蓄積をモデル化し、伝送戦略を最適化することで、一意の最適誤り確率が得られ、また、小さなバッテリでもエネルギー蓄積が行われる場合には性能制限要因となることが明らかになった。

ABSTRACT

We analyze a wireless communication system with finite block length and finite battery energy, under quasi-static Nakagami-m fading. Wireless energy transfer is carried out in the downlink while information transfer occurs in the uplink. Transmission strategies for scenarios with/without energy accumulation between transmission rounds are characterized in terms of error probability and energy consumption. A power control protocol for the energy accumulation scenario is proposed and results show the enormous impact on improving the system performance, in terms of error probability and energy consumption. The numerical results corroborate the existence and uniqueness of an optimum target error probability, while showing that a relatively small battery could be a limiting factor for some setups, specially when using the energy accumulation strategy.

研究の動機と目的

• 有限ブロック長および有限バッテリ容量という現実的な制約下における無線電力通信ネットワークの性能を分析すること。
• 準静的ナカガミ-m fadingチャネルにおける伝送ラウンド間のエネルギー蓄積が、誤り確率およびエネルギー消費に与える影響を調査すること。
• これらの有限制約下でシステム性能を最適化するパワー制御プロトコルの設計および評価を行うこと。
• 提案されたシステムモデル下で、最適なターゲット誤り確率が存在するかどうかを特定すること。
• 特にエネルギー蓄積が用いられる場合に、小さなバッテリサイズが性能に及ぼす制限要因を特定すること。

提案手法

• 準静的ナカガミ-m fading下で、ダウンリンクの無線電力伝送とアップリンクの情報伝送の2段階プロセスをモデル化する。
• エネルギー蓄積状況に特化したパワー制御プロトコルを導入し、収集したエネルギーとチャネル状態に応じて動的に送信パワーを調整する。
• 有限ブロック長情報理論を用いて、指定されたブロック長およびターゲット誤り確率における最大達成可能レートを特徴づけ、シャノン容量の仮定に代わる。
• 不完全ガンマ関数および統計的チャネルモデルを用いて、 outage確率および平均消費パワーの解析的表現を導出する。
• 最大5×10⁷回のチャネル実現値を用いた数値シミュレーションにより、誤り確率の2階微分を推定し、誤り性能曲線の凸性を検証する。
• バッテリサイズ、ブロック長、フェーディングの激甚度（m）、エネルギー収集効率といったシステムパラメータを考慮し、トレードオフを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限ブロック長および有限バッテリ容量を有する無線電力通信システムにおいて、一意の最適ターゲット誤り確率が存在するか？
• RQ2 伝送ラウンド間のエネルギー蓄積が、有限バッテリシステムにおける誤り確率およびエネルギー消費にどのように影響するか？
• RQ3 小さなバッテリ容量が、特にエネルギー蓄積戦略を用いる場合に、どの程度システム性能を制限するか？
• RQ4 ブロック長、フェーディングの激甚度（m）、エネルギー収集パラメータが異なる場合、システム性能はどのように変化するか？
• RQ5 有限リソース制約下で、誤り確率およびエネルギー効率を顕著に向上させるパワー制御プロトコルを設計できるか？

主な発見

• すべてのテストパラメータコンビネーションにおいて誤り確率関数の凸性が確認されたことから、システムに一意の最適ターゲット誤り確率が存在することが判明した。
• 提案されたパワー制御プロトコルは、特にエネルギー蓄積状況下で、誤り確率およびエネルギー消費の両方を顕著に改善した。
• 比較的小さなバッテリ容量（10⁻⁷ J）ですら、特にエネルギー蓄積が行われる場合にはシステム性能の制限要因となることが明らかになった。
• 数値結果から、すべてのテスト設定において誤り確率関数の2階微分が非負のままであることが示され、誤り性能曲線の凸性が裏付けられた。
• 平均消費パワーは不完全ガンマ関数を用いて解析的に導出され、有限バッテリおよびブロック長制約下での正確な性能評価が可能になった。
• エネルギー収集効率、路損失、ブロック長といったシステムパラメータは、ΛおよびΥのパラメータを通じて効果的にモデル化可能であり、柔軟な性能分析が可能となった。