[논문 리뷰] Cooperative Energy Trading in CoMP Systems Powered by Smart Grids

Jie Xu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 23.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 18인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스마트 그리드 기반의 셀룰러 네트워크에서 협업 에너지 거래와 공동 다점 전송(CoMP) 전송을 위한 공동 최적화 프레임워크를 제안한다. 볼록 최적화와 상향-하향 이중성(duality)을 활용하여 총 에너지 비용을 최소화한다. 기저국이 전력망과 에너지를 거래하면서 QoS 제약 조건 하에 전송 프리코딩을 공동으로 관리함으로써, 시뮬레이션 사례에서 비용을 최대 86%까지 감소시킨다.

ABSTRACT

This paper studies the energy management in the coordinated multi-point (CoMP) systems powered by smart grids, where each base station (BS) with local renewable energy generation is allowed to implement the two-way energy trading with the grid. Due to the uneven renewable energy supply and communication energy demand over distributed BSs as well as the difference in the prices for their buying/selling energy from/to the gird, it is beneficial for the cooperative BSs to jointly manage their energy trading with the grid and energy consumption in CoMP based communication for reducing the total energy cost. Specifically, we consider the downlink transmission in one CoMP cluster by jointly optimizing the BSs' purchased/sold energy units from/to the grid and their cooperative transmit precoding, so as to minimize the total energy cost subject to the given quality of service (QoS) constraints for the users. First, we obtain the optimal solution to this problem by developing an algorithm based on techniques from convex optimization and the uplink-downlink duality. Next, we propose a sub-optimal solution of lower complexity than the optimal solution, where zero-forcing (ZF) based precoding is implemented at the BSs. Finally, through extensive simulations, we show the performance gain achieved by our proposed joint energy trading and communication cooperation schemes in terms of energy cost reduction, as compared to conventional schemes that separately design communication cooperation and energy trading.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 셀룰러 네트워크의 운영 비용 증가 문제를 해결하기 위해 재생 가능 에너지원과 스마트 그라이드와의 이중 방향 에너지 거래를 통합한다.
• 기존 CoMP 설계에서 동적 에너지 가격과 재생 에너지 공급의 변동성을 忽시하는 한계를 극복한다.
• QoS 요구사항을 충족시키면서 총 에너지 비용을 최소화하기 위해 에너지 거래와 프리코딩을 공동으로 최적화한다.
• 실제 구현을 위한 최적 및 준최적 해를 개발하며, 저복잡도 ZF 기반 프리코딩을 확장 가능한 대안으로 제안한다.

제안 방법

• QoS 및 전력 제약 조건 하에 에너지 거래와 CoMP 프리코딩을 통한 총 에너지 비용 최소화를 목표로 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 비볼록인 하향링크 문제를 볼록 최적화에 적합한 이중 상향링크 문제로 변환하기 위해 상향-하향 이중성을 적용한다.
• 라그랑주 역할화와 하향부분기울기 방법을 사용하며, 타원체 방법을 활용해 이중 문제를 반복적으로 해결한다.
• 카루시-쿠른-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건과 이중 분해를 통해 최적의 에너지 거래 및 프리코딩를 유도한다.
• 계산 복잡도를 줄이면서도 성능을 유지하는 준최적의 ZF 기반 프리코딩 방식을 제안한다.
• 기존의 별도로 설계된 CoMP 및 에너지 거래 방식과의 비교를 통해 시뮬레이션을 통해 제안 방식의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스마트 그리드 기반 셀룰러 네트워크에서 에너지 거래와 CoMP 전송을 공동으로 최적화하여 총 에너지 비용을 최소화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 기존의 CoMP 설계나 독립적인 에너지 거래 설계와 비교했을 때, 공동 최적화의 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 변동하는 전력망 가격을 고려한 이중 방향 에너지 거래가 시스템 비용과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 제약 조건 하에서 에너지 및 프리코딩 관리의 최적성과 복잡도 사이의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 기지국 간 재생 에너지 공급의 변동성이 협업 에너지 거래의 효과성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 공동 최적화는 기존 CoMP 설계 대비 시뮬레이션 사례에서 총 에너지 비용을 86% 감소시켰다. 비용은 0.356에서 0.05 단위로 감소하였다.
• 최적 해는 KKT 조건을 통해 유도된 정확한 에너지 구매/판매 수준을 기반으로 한 조율된 에너지 거래 및 프리코딩을 통해 비용 최소화를 달성한다.
• 준최적의 ZF 기반 방식은 계산 복잡도를 줄이면서도 뛰어난 성능을 유지하여 실시간 구현에 적합하다.
• 에너지 거래와 통신 조율을 함께 고려할 경우, 별도로 처리하는 것보다 비용 절감 효과가 뚜렷하게 높다.
• 기지국 간 이질적인 재생 에너지 생산과 변동하는 전력망 가격 조건 하에서도 시스템은 상당한 비용 절감 효과를 달성한다.