[논문 리뷰] AWGN Channel Capacity of Energy Harvesting Transmitters with a Finite Energy Buffer

P K Deekshith, Vinod Sharma외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 17.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 22인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 에너지 수확을 통해 구동되며 유한한 에너지 버퍼를 갖춘 AWGN 채널의 정보이론적 용량을 규명한다. 마르코프 에너지 관리 정책이 용량을 달성함을 증명하고 단일 문자 표현을 제공한다. 유한한 버퍼 용량은 버퍼 크기가 증가함에 따라 무한 버퍼 용량으로 수렴한다.

ABSTRACT

We consider an AWGN channel with a transmitter powered by an energy harvesting source. The node is equipped with a finite energy buffer. Such a system can be modelled as a channel with side information (about energy in the energy buffer) causally known at the transmitter. The receiver may or may not have the side information. We prove that Markov energy management policies are sufficient to achieve the capacity of the system and provide a single letter characterization for the capacity. The computation of the capacity is expensive. Therefore, we discuss an achievable scheme that is easy to compute. This achievable rate converges to the infinite buffer capacity as the buffer length increases.

연구 동기 및 목표

• 에너지 수확을 통해 구동되며 유한한 에너지 버퍼를 갖춘 AWGN 채널의 정보이론적 용량을 결정하는 것.
• 전송기에서 버퍼 상태 정보를 인과적으로 알 수 있을 때, 마르코프 에너지 관리 정책이 채널 용량을 달성하는 데 충분함을 확립하는 것.
• 수신기가 버퍼 상태 정보를 인과적으로 알 수 있을 경우의 단일 문자 용량 표현을 유도하는 것.
• 수신기에서 버퍼 상태 정보가 없을 경우 샤논 전략을 사용하여 용량을 분석하는 것.
• 버퍼 크기가 증가함에 따라 유한 버퍼 시스템의 용량이 무한 버퍼 용량으로 수렴함을 증명하는 것.

제안 방법

• 전송기에서 버퍼 상태와 같은 인과적 측면 정보를 갖는 채널로 시스템을 모델링하며, 에너지 수확은 i.i.d. 랜덤 변수로 모델링한다.
• 에너지 버퍼 상태 과정을 마르코프 체인으로 설정하여, 사용되는 에너지는 현재 가용 에너지(수확된 에너지 포함)에만 의존함을 정의한다.
• 정보이론적 기법을 사용하여 수신기에서 버퍼 상태 정보가 있는 경우의 단일 문자 용량 표현을 유도한다.
• 용량을 달성하는 정책이 마르코프임을 증명하며, 마르코프 체인의 구조와 유일한 정적 분포 존재를 기반으로 한다.
• 저복잡도의 구현 가능한 비율 스킴으로서 절단 정규 신호 전송 방식과 탐욕 정책을 도입한다.
• 에너지 버퍼 과정의 확률적 단조성과 무한 버퍼 사례로의 약한 수렴을 분석하여, 유한 버퍼 용량이 무한 버퍼 용량으로 수렴함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 수확을 통해 구동되며 유한한 에너지 버퍼를 갖춘 AWGN 채널의 정보이론적 용량은 무엇인가?
• RQ2 전송기에서 버퍼 상태 정보가 있을 경우, 마르코프 에너지 관리 정책이 채널 용량을 달성할 수 있는가?
• RQ3 유한 버퍼 시스템의 용량은 무한 버퍼 용량과 어떻게 비교되며, 버퍼 크기가 증가함에 따라 수렴하는가?
• RQ4 수신기가 버퍼 상태 정보를 알지 못할 경우의 용량 표현은 무엇인가?
• RQ5 저복잡도 전송 스킴은 유한 버퍼 영역에서 용량에 가까운 비율을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 수신기에서 버퍼 상태 정보가 있는 유한 버퍼 AWGN 채널의 용량은 버퍼 상태 조건부 입력과 출력 간 상호정보량을 포함하는 단일 문자 표현으로 특성화된다.
• 전송기에서 버퍼 상태 정보가 가용할 경우, 마르코프 에너지 관리 정책이 채널 용량을 달성하는 데 충분하다.
• 버퍼 크기 Γ가 무한대로 갈수록 유한 버퍼 시스템의 용량은 무한 버퍼 용량으로 수렴한다.
• 무한 버퍼 용량은 $ \frac{1}{2}\log\left(1 + \frac{\mathbb{E}[Y]}{\sigma^2}\right) $ 로 주어지며, 유한 버퍼 용량은 이 값에서 아래쪽에서 수렴한다.
• 절단 정규 신호 전송과 탐욕 정책을 통한 실현 가능한 비율이 제안되며, 이는 버퍼 크기가 증가함에 따라 무한 버퍼 용량으로 수렴한다.
• 에너지 버퍼 과정의 정적 분포는 버퍼 크기에 대해 확률적으로 비감소적이며, 이는 수렴 결과를 뒷받침한다.