[논문 리뷰] Distributed Scheduling in Wireless Powered Communication Network: Protocol Design and Performance Analysis

Suzhi Bi, Ying Jun외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 17.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 중앙집중식 제어 없이 에너지와 정보 전송을 조율할 수 있는 완전히 분산된 무선 전력 통신 네트워크(WPCNs) 스케줄링 프로토콜을 제안한다. 에너지 요청 번개(ERBs)와 p-지속적 CSMA 접근 방식을 사용함으로써, 최소한의 신호 전송 오버헤드로 안정적인 Throughput 성능을 달성하며, 분석 모델링과 시뮬레이션을 통해 검증되었다. 이는 이상적인 제약 없는 네트워크 대비 최대 20% 낮은 Throughput를 보이지만, 현실적인 에너지 제약 조건에서도 지속 가능한 운영이 가능하다.

ABSTRACT

Wireless powered communication network (WPCN) is a novel networking paradigm that uses radio frequency (RF) wireless energy transfer (WET) technology to power the information transmissions of wireless devices (WDs). When energy and information are transferred in the same frequency band, a major design issue is transmission scheduling to avoid interference and achieve high communication performance. Commonly used centralized scheduling methods in WPCN may result in high control signaling overhead and thus are not suitable for wireless networks constituting a large number of WDs with random locations and dynamic operations. To tackle this issue, we propose in this paper a distributed scheduling protocol for energy and information transmissions in WPCN. Specifically, we allow a WD that is about to deplete its battery to broadcast an energy request buzz (ERB), which triggers WET from its associated hybrid access point (HAP) to recharge the battery. If no ERB is sent, the WDs contend to transmit data to the HAP using the conventional $p$-persistent CSMA (carrier sensing multiple access). In particular, we propose an energy queueing model based on an energy decoupling property to derive the throughput performance. Our analysis is verified through simulations under practical network parameters, which demonstrate good throughput performance of the distributed scheduling protocol and reveal some interesting design insights that are different from conventional contention-based communication network assuming the WDs are powered with unlimited energy supplies.

연구 동기 및 목표

• 에너지 제약이 있는 장치로 구성된 대규모 동적 네트워크에서 중앙집중식 WPCN 스케줄링의 높은 신호 전송 오버헤드 문제를 해결하기 위해.
• 전역 채널 상태 정보 없이도 무선 에너지 전송(WET)과 정보 전송(WIT)을 효율적으로 공동 스케줄링할 수 있는 분산 프로토콜을 설계하기 위해.
• 에너지 분리 성질과 에너지 큐잉 모델을 활용하여 제안된 프로토콜의 Throughput 성능을 분석하기 위해.
• 실제 네트워크 파rameter 하에서 분석 모델을 시뮬레이션으로 검증하고, 에너지 무제한 시스템과는 다름없는 설계 통찰을 도출하기 위해.

제안 방법

• 배터리 고갈 위험이 있는 장치들이 WET을 유도하기 위해 브로드캐스트하는 에너지 요청 번개(ERB) 메커니즘을 도입한다.
• ERB가 전송되지 않을 경우 p-지속적 CSMA를 활용하여 분산된 중계 접근을 실현한다.
• 에너지 분리 성질에 기반한 에너지 큐잉 모델을 개발하여 Throughput 성능를 분석적으로 유도한다.
• 재귀 방정식을 사용하여 에너지 전송 슬롯 확률(P_ene)과 성공적 전송 슬롯 확률(P_suc)과 같은 핵심 성능 지표를 유도한다.
• 전송 확률 pt를 WD 수에 비례하여 조정함으로써 다양한 네트워크 크기에서 안정적인 성능 유지를 달성한다.
• 실제 파rameter를 사용한 시뮬레이션을 통해 분석 모델을 검증하고, P_ene 및 P_suc에 대한 분석 결과와 시뮬레이션 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 동적 네트워크에서 중앙집중식 조율 없이 WPCN이 WET과 WIT를 효율적으로 스케줄링할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 에너지 제약이 있는 장치들이 분산된 액세스 제어를 사용할 경우 Throughput 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 에너지 무제한 공급이 가능한 전통적 CSMA 네트워크와 비교해 분산된 WPCN의 성능은 어떻게 되는가?
• RQ4 에너지 수확 기능이 있는 분산 WPCN에서 Throughput를 최대화하는 최적의 전송 확률 pt는 무엇인가?
• RQ5 WD 수가 제안된 프로토콜에서 WET의 필요성과 전체 시스템 Throughput에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• P_ene와 P_suc에 대한 분석 모델이 시뮬레이션 결과와 밀도 있게 일치하여, 에너지 큐잉 모델과 유도된 방정식의 정확성을 검증한다.
• pt가 1/N로 설정된 경우 WD 수 N이 증가할수록 P_ene가 감소함을 확인하여, 전송 빈도가 낮아짐에 따라 WET의 필요성이 감소함을 시사한다.
• pt를 N에 비례하여 조정함으로써 다양한 WD 수에 걸쳐 안정적인 Throughput 성능 유지가 가능함을 확인한다.
• WPCN에서 최대 Throughput는 pt = 1/56에서 달성되며, 이는 에너지 소비와 충돌 증가로 인해 높은 pt에서 성능 저하가 발생하기 때문이다. 이는 에너지 무제한 벤치마크의 pt = 1/44와 대비된다.
• WPCN의 Throughput는 이상적인 제약 없는 경우 대비 약 20% 낮지만, 지속 가능성과 낮은 신호 전송 오버헤드를 고려할 때 이 성능 손실는 수용 가능하다.