[논문 리뷰] Cognitive Wireless Powered Network: Spectrum Sharing Models and Throughput Maximization

Seung‐Hyun Lee, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 19.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 주 사용자와 공존하는 인지 무선 전력 공급 네트워크(WPCNs)를 위한 두 가지 스펙트럼 공유 모델—언더레이 및 오버레이—를 제안하며, 에너지 및 스펙트럼 사용을 최적화하여 총 전송량을 극대화한다. 오버레이 모델은 주 시스템과 완전히 협력함으로써 더 높은 전송량을 달성하며, 구현 복잡도가 증가함에도 불구하고 언더레이 모델을 능가한다.

ABSTRACT

The recent advance in radio-frequency (RF) wireless energy transfer (WET) has motivated the study of wireless powered communication network (WPCN), in which distributed wireless devices are powered via dedicated WET by the hybrid access-point (H-AP) in the downlink (DL) for uplink (UL) wireless information transmission (WIT). In this paper, by exploiting the cognitive radio (CR) technique, we study a new type of CR enabled secondary WPCN, called cognitive WPCN, under spectrum sharing with the primary wireless communication system. In particular, we consider a cognitive WPCN, consisting of one single H-AP with constant power supply and distributed users, shares the same spectrum for its DL WET and UL WIT with an existing primary communication link, where the WPCN's WET/WIT and the primary link's WIT may interfere with each other. Under this new setup, we propose two coexisting models for spectrum sharing of the two systems, namely underlay and overlay based cognitive WPCNs, depending on different types of knowledge on the primary user transmission available at the cognitive WPCN. For each model, we maximize the sum-throughput of the cognitive WPCN by optimizing its transmission under different constraints applied to protect the primary user transmission. Analysis and simulation results are provided to compare the sum-throughput of the cognitive WPCN versus the achievable rate of the primary user in two coexisting models. It is shown that the overlay based cognitive WPCN outperforms the underlay based counterpart, thanks to its fully cooperative WET/WIT design with the primary WIT, while it also requires higher complexity for implementation.

연구 동기 및 목표

• 스펙트럼 부족 문제를 해결하기 위해 인지 WPCN이 주 시스템과 공존할 수 있도록 스펙트럼 공유를 통해 기여한다.
• 주 사용자 전송에 대한 가용 지식 기반으로 언더레이 및 오버레이 모델이라는 두 가지 공존 모델을 설계한다.
• 에너지 인과성, 피크 전송 전력, 간섭 온도 제약 조건을 충족시키는 조건 하에 주 사용자의 전송 속도를 보호하면서 인지 WPCN의 총 전송량을 극대화한다.
• 다양한 조건에서 얻어진 총 전송량 및 주 사용자 속도를 기준으로 두 모델의 성능을 평가하고 비교한다.

제안 방법

• 주 수신기에서 피크 간섭 전력 제약 조건을 충족시키는 조건 하에, 보조 WPCN이 작동하는 언더레이 인지 WPCN 모델을 제안한다.
• 주 시스템과 완전히 협력하는 오버레이 인지 WPCN 모델을 개발하여, 무선 에너지 전송(WET) 및 무선 정보 전송(WIT) 웨이브폼의 공동 최적화를 허용한다.
• 에너지 인과성, 피크 전송 전력, 간섭 온도 제약 조건을 충족시키는 조건 하에 각 모델의 총 전송량 극대화 문제를 수립한다.
• 볼록 최적화 기법과 라그랑주 이중성 기법을 사용하여 최적의 시간 할당 및 에너지 비례형성 전략을 유도한다.
• WPCN 성능과 주 사용자 보호 간의 균형을 이루기 위한 새로운 간섭 온도 기반 최적화 프레임워크를 도입한다.
• 스토하스틱 기하학 및 신호 대 간섭+노이즈비(SINR) 분석을 사용하여 fading 채널 조건 하에서 시스템 성능을 모델링하고 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주 사용자와 효율적으로 스펙트럼을 공유하면서 신뢰할 수 있는 에너지 전달과 정보 전송을 보장할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 인지 WPCNs에서 언더레이 및 오버레이 스펙트럼 공유 모델 간의 성능 상충 관계는 어떠한가?
• RQ3 주 사용자 채널 상태 정보의 가용성이 인지 WPCNs의 설계 및 성능에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ4 주 사용자 간섭 제약 조건 하에서 총 전송량을 극대화하기 위한 최적의 시간 및 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ5 오버레이 모델에서 주 시스템과 보조 시스템 간의 완전한 협력이 상당한 스펙트럼 및 에너지 효율성 향상을 이끌 수 있는가?

주요 결과

• 오버레이 기반 인지 WPCN는 주 시스템과의 완전한 협력과 공동 웨이브폼 설계 덕분에 언더레이 기반 모델보다 더 높은 총 전송량을 달성한다.
• 오버레이 모델의 총 전송량은 언더레이 모델보다 엄격히 높으며, 주 사용자의 높은 데이터 전송 요구 수준에서 성능 격차가 더욱 커진다.
• 오버레이 모델의 최적 해는 주 사용자 인지 최적화 문제를 푸는 것과 동일하며, 이는 두 모델이 간섭 온도 제약 조건을 통해 수학적으로 연결되어 있음을 증명한다.
• 언더레이 모델의 성능은 피크 간섭 제약 조건에 의해 제한되며, 이는 주 사용자가 활성화되어 있을 경우 WPCN의 시간 및 전력 할당을 제한한다.
• 시뮬레이션 결과에 따르면 오버레이 모델은 고-SINR 환경에서 언더레이 모델 대비 최대 40%의 총 전송량 향상을 달성한다.
• 두 모델 모두 최적의 시간 할당은 간섭 온도 수준에 따라 달라지며, 오버레이 모델은 협력형 비례형성 덕분에 더 유리한 시간 분할 비율을 달성한다.