[논문 리뷰] Energy-Efficient Resource Allocation for Aggregated RF/VLC Systems

Sylvester Aboagye, Telex M. N. Ngatched외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 03.

Optical Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 매칭 이론과 다목적 최적화를 활용하여 통합된 RF/VLC 시스템의 통합 에너지 효율적 자원 할당 프레임워크를 제안한다. 이는 액세스 포인트(AP) 할당, 서브채널 할당(SA), 전력 할당(PA)을 최적화하며, 특히 차단 및 간섭 조건에서 하이브리드 시스템 대비 에너지 효율성, 합산 속도, 아웃리지 성능에서 뚜렷한 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Visible light communication (VLC) is envisioned as a core component of future wireless communication networks due to, among others, the huge unlicensed bandwidth it offers and the fact that it does not cause any interference to existing radio frequency (RF) communication systems. Most research on RF and VLC coexistence has focused on hybrid designs where data transmission to any user could originate from either an RF or a VLC access point (AP). However, hybrid RF/VLC systems fail to exploit the distinct transmission characteristics of RF and VLC systems to fully reap the benefits they can offer. Aggregated RF/VLC systems, in which any user can be served simultaneously by both RF and VLC APs, have recently emerged as a more promising and robust design for the coexistence of RF and VLC systems. To this end, this paper, for the first time, investigates AP assignment, subchannel allocation (SA), and transmit power allocation (PA) to optimize the energy efficiency (EE) of aggregated RF/VLC systems while considering the effects of interference and VLC line-of-sight link blockages. A novel and challenging EE optimization problem is formulated for which an efficient joint solution based on alternating optimization is developed. More particularly, an energy-efficient AP assignment algorithm based on matching theory is proposed. Then, a low-complexity SA scheme that allocates subchannels to users based on their channel conditions is developed. Finally, an effective PA algorithm is presented by utilizing the quadratic transform approach and a multi-objective optimization framework. Extensive simulation results reveal that: 1) the proposed joint AP assignment, SA, and PA solution obtains significant EE, sum-rate, and outage performance gains with low complexity, and 2) the aggregated RF/VLC system provides considerable performance improvement compared to hybrid RF/VLC systems.

연구 동기 및 목표

• 간섭 및 차단 조건 하에서 에너지 효율성(EE)을 위한 통합 최적화의 부족을 해결하기 위해.
• 이질적인 RF/VLC 네트워크에서 AP 할당, 서브채널 할당 및 전력 할당을 위한 확장 가능하고 저복잡도의 솔루션을 개발하기 위해.
• RF(광범위한 커버리지)와 VLC(고대역폭, 낮은 간섭)의 상호보완적 강점을 활용하여 시스템 성능을 향상시키기 위해.
• 회로 전력, QoS 요구사항, LoS 차단 확률과 같은 핵심 시스템 파라미터가 EE 및 아웃리지 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 사용자 채널 상태와 AP 이질성까지 고려한 에너지 효율적 AP 할당을 위한 새로운 매칭 이론 기반 알고리즘을 제안한다.
• 할당된 AP로부터의 채널 이득을 기반으로 한 저복잡도 서브채널 할당 기법을 설계하여 공정성과 스펙트럼 효율성을 균형 잡는다.
• 다목적 최적화 프레임워크 내에서 이차형 변환 기반 전력 할당 알고리즘을 개발하여 EE와 속도 요구사항을 균형 잡는다.
• 원래의 혼합정수비선형계획문제를 AP 할당, SA, PA의 세 개의 하위문제로 분해하고 교차 최적화를 통해 해결한다.
• 반복적인 교차 최적화를 통해 통합 솔루션을 반복적으로 개선하며, 수렴성과 저연산 복잡도를 보장한다.
• 시뮬레이션 모델은 LoS 차단 확률, 회로 전력, QoS 제약 조건과 같은 현실적인 파라미터를 포함한다.

Figure 1 : Network model of a three–tier heterogeneous network.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간섭 및 LoS 차단 조건 하에서 통합 RF/VLC 시스템의 에너지 효율성을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 EE, 합산 속도, 아웃리지 측면에서 통합 시스템은 하이브리드 RF/VLC 시스템 대비 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 회로 전력 소모와 LoS 가용성이 시스템 에너지 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이질적인 RF/VLC 네트워크에서 AP 할당, 서브채널 할당 및 전력 할당의 저복잡도 통합 최적화를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 통합 솔루션은 벤치마크 기법 대비 에너지 효율성, 합산 속도, 아웃리지 성능에서 뚜렷한 향상을 달성하였으며, 모든 LoS 확률 시나리오에서 최고의 EE 성능을 기록하였다.
• 특히 낮은 LoS 조건에서 하이브리드 시스템 대비 통합 시스템이 더 뛰어난 성능을 보이며, 이는 이중 링크 다이나믹스와 향상된 신뢰성 덕분이다.
• 회로 전력 소모가 증가함에 따라 EE는 저하되지만, 제안된 기법은 여전히 높은 EE를 유지할 수 있으며, 이는 저전력 하드웨어의 필요성을 강조한다.
• 아웃리지 성능은 통합 시스템에서 뚜렷이 향상되었으며, 사용자가 동시에 RF 및 VLC 링크를 통해 서비스를 받을 수 있어 열악한 채널 조건에서도 QoS 요구사항을 충족할 수 있다.
• 매칭 기반 AP 할당 알고리즘은 FoV 및 차단 영향으로 인한 비최적의 연결을 방지하여 사용자를 최적의 AP에 효과적으로 할당한다.
• 이차형 변환 기반 PA 알고리즘은 EE와 속도 요구사항을 균형 잡는 효율적인 전력 할당을 가능하게 하여, QoS 제약 조건을 忽시하는 기법들보다 뛰어난 성능을 발휘한다.

Figure 2 : Block diagram of data transmission in an aggregated RF/VLC system.