[논문 리뷰] Communicating Using an Energy Harvesting Transmitter: Optimum Policies Under Energy Storage Losses

Kaya Tutuncuoglu, Aylin Yener|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 30.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 19인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 에너지 수확 전송기의 에너지 저장 손실을 고려한 최적의 오프라인 및 온라인 전력 할당 정책을 유도하며, 수확된 전력이 상한 및 하한 임계값 사이일 때 전송 전력이 수확된 전력과 일치하는 이중 임계값 정책이 스루풋을 최대화함을 보여준다. 무한 대기용량의 경우 임계값은 비감소적이며, 유한 용량의 경우 배터리 상태에 따라 조정된다. 간단한 구조에도 불구하고 근사 최적 성능을 달성하는 일정 임계값 온라인 정책이 제안된다.

ABSTRACT

In this paper, short-term throughput optimal power allocation policies are derived for an energy harvesting transmitter with energy storage losses. In particular, the energy harvesting transmitter is equipped with a battery that loses a fraction of its stored energy. Both single user, i.e. one transmitter-one receiver, and the broadcast channel, i.e., one transmitter-multiple receiver settings are considered, initially with an infinite capacity battery. It is shown that the optimal policies for these models are threshold policies. Specifically, storing energy when harvested power is above an upper threshold, retrieving energy when harvested power is below a lower threshold, and transmitting with the harvested energy in between is shown to maximize the weighted sum-rate. It is observed that the two thresholds are related through the storage efficiency of the battery, and are nondecreasing during the transmission. The results are then extended to the case with finite battery capacity, where it is shown that a similar double-threshold structure arises but the thresholds are no longer monotonic. A dynamic program that yields an optimal online power allocation is derived, and is shown to have a similar double-threshold structure. A simpler online policy is proposed and observed to perform close to the optimal policy.

연구 동기 및 목표

• 비이상적인 에너지 저장을 고려한 에너지 수확 전송기에서 효율적인 에너지 사용 문제를 다루기 위해, 충전 및 방전 과정에서 에너지 손실이 발생하는 환경을 대비한다.
• 에너지 저장 비효율성 하에서 스루풋을 최대화하는 최적의 오프라인 전력 할당 정책을 유도한다.
• 이러한 결과를 유한 용량 배터리로 확장하고, 최적 성능에 가까운 실용적인 온라인 정책을 개발한다.
• 저장 비효율성이 이상적인 배터리와 비교해 최적 정책의 구조를 본질적으로 변화시킴을 보여주며, 조각별로 일정한 정책에서 이중 임계값 구조로의 전환을 설명한다.

제안 방법

• 에너지 수확 트레이스를 사전에 알 수 있는 비인과적 지식을 가정하여, 단일 사용자 및 브로드캐스트 채널에 대해 동적 프로그래밍을 사용해 최적의 오프라인 정책을 유도한다.
• 전송 전력이 두 개의 임계값 사이일 때 수확된 전력과 일치하는 이중 임계값 구조를 규명하며, 수확된 전력이 상한 임계값을 초과할 경우에만 에너지를 저장한다.
• 무한 대기용량 배터리의 경우, 임계값이 저장 효율성과 관련이 있으며 시간에 따라 비감소함을 증명한다.
• 유한 대기용량 배터리로의 분석 확장을 통해, 임계값이 조각별로 일정하고 비단조화적이며, 배터리가 가득 찬 또는 비어 있는 상태에서 조정됨을 보여준다.
• 고정된 임계값을 가진 단순한 온라인 정책을 제안하며, 안정적인 에너지 버퍼를 유지하고 최적의 온라인 정책에 근접한 성능을 달성한다.
• 다양한 저장 효율 수준에서 제안된 온라인 정책을 최적의 오프라인 정책, 급속 정책, 일정 전력 정책과 비교한 시뮬레이션을 통해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 저장 비효율성은 에너지 수확 전송기의 최적 전력 할당 정책의 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비이상적인 배터리 저장을 고려한 단일 사용자 에너지 수확 링크에 대한 최적의 오프라인 전력 정책은 무엇인가?
• RQ3 배터리 용량이 무한이 아니라 유한한 경우 최적 정책은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 고정된 임계값을 가진 단순한 온라인 정책이 저장 손실이 존재하는 환경에서 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 다양한 저장 효율 수준에서 이중 임계값 정책은 전통적인 조각별 일정 정책과 비교해 성능 및 내성 면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• 무한 대기용량 배터리와 저장 손실이 존재하는 경우 최적의 오프라인 정책은 두 개의 임계값 사이에서 전송 전력이 수확된 전력과 일치하는 이중 임계값 구조를 띤다.
• 임계값은 시간에 따라 비감소적이며, 저장 효율성과 수확 과정에 의해 결정되며, 상한 임계값은 항상 하한 임계값보다 크거나 같다.
• 유한 대기용량 배터리의 경우 이중 임계값 구조는 유지되지만, 임계값은 조각별 일정하며 배터리가 가득 찬 또는 비어 있는 상태에서 증가하거나 감소할 수 있다.
• 동적 프로그래밍을 통해 유도된 최적의 온라인 정책은 현재 배터리 상태에 따라 조정되는 이중 임계값 구조를 유지한다.
• 제안된 일정 임계값 온라인 정책은 모든 저장 효율 수준에서 최적의 온라인 정책에 대해 1-2% 이내의 성능을 달성하며, 급속 정책 및 일정 전력 정책을 모두 능가한다.
• 브로드캐스트 채널 환경에서는 동일한 이중 임계값 정책이 가중합률을 최대화하며, 제안된 온라인 정책은 최적의 오프라인 경계에 매우 가까운 비율 영역을 달성한다.