[논문 리뷰] Flexible Functional Split and Power Control for Energy Harvesting Cloud Radio Access Networks

Liumeng Wang, Sheng Zhou|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 15.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 27인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 평균 프론트힐 비트레이트 제약 조건 하에서 에너지 수확 기반 클라우드 무선접근망(C-RAN)에서의 융통성 있는 功能分割과 전력 제어를 공동 최적화하여 전송량을 극대화하는 것을 제안한다. 에너지 가용성과 채널 상태에 따라 에포크당 최대 두 가지 기능 분할 모드를 동적으로 선택하고 전송 전력을 적응적으로 조절함으로써, 제안된 히우리스틱 온라인 정책은 최적에 가까운 성능를 달성하며 고정된 기능 분할 방식에 비해 전송량을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Functional split is a promising technique to flexibly balance the processing cost at remote ends and the fronthaul rate in cloud radio access networks (C-RAN). By harvesting renewable energy, remote radio units (RRUs) can save grid power and be flexibly deployed. However, the randomness of energy arrival poses a major design challenge. To maximize the throughput under the average fronthaul rate constraint in C-RAN with renewable powered RRUs, we first study the offline problem of selecting the optimal functional split modes and the corresponding durations, jointly with the transmission power. We find that between successive energy arrivals, at most two functional split modes should be selected. Then the optimal online problem is formulated as an Markov decision process (MDP). To deal with the curse of dimensionality of solving MDP, we further analyze the special case with one instance of energy arrival and two candidate functional split modes as inspired by the offline solution, and then a heuristic online policy is proposed. Numerical results show that with flexible functional split, the throughput can be significantly improved compared with fixed functional split. Also, the proposed heuristic online policy has similar performance with the optimal online one, as validated by simulations.

연구 동기 및 목표

• 에너지 가용성이 동적으로 변화하는 환경에서 평균 프론트힐 비트레이트 제약 조건 하에서 전송량을 극대화하는 문제를 다루기.
• 기능 분할과 전력 제어를 공동으로 고려할 때 온라인 마르코프 결정 과정(MDP) 수식화에서 발생하는 차원의 저주 문제를 해결하기.
• 실시간 구현이 가능한 실용적인 히우리스틱 온라인 정책을 설계하여 최적 성능에 근접한 성능를 달성하기.
• 에너지 제약 조건이 있는 환경에서 고정된 기능 분할 모드 대비 융통성 있는 기능 분할이 전송량 향상에 기여하는지를 입증하기.

제안 방법

• 평균 프론트힐 및 에너지 제약 조건 하에서 기능 분할 모드, 전송 지속 시간, 전력 할당을 공동 최적화하는 오프라인 최적 정책를 수립한다.
• 연속적인 에너지 도착 간격 동안 최대 두 가지 기능 분할 모드만 사용하는 것이 최적임을 증명하여 오프라인 해법 공간을 단순화한다.
• 잔류 에너지와 채널 상태를 상태 공간으로 정의한 마르코프 결정 과정(MDP)으로 온라인 문제를 모델링한다.
• 에너지 한 번 도착 및 두 가지 후보 기능 분할 모드 조건에서의 특수 케이스에 대해 닫힌 형태의 최적 전력 제어 정책을 유도한다.
• 특수 케이스 해법에서 도출된 구조적 통찰을 바탕으로 저복잡도의 온라인 히우리스틱 정책을 제안하여 실시간 적응이 가능하게 한다.
• 최적 해를 근사하기 위해 'relax and round' 기법을 사용하고 시뮬레이션을 통해 성능를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 수확 기반 C-RAN에서 연속적인 에너지 도착 간격 동안 최적의 기능 분할 모드 수는 얼마인가?
• RQ2 에너지 및 프론트힐 비트레이트 제약 조건 하에서 융통성 있는 기능 분할은 고정된 기능 분할 모드 대비 시스템 전송량을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 저복잡도의 히우리스틱 온라인 정책이 동적인 에너지 수확 환경에서 근사 최적의 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ4 에너지 도착률과 배터리 용량은 융통성 있는 기능 분할 시스템의 구현 가능한 전송량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 채널 상태 변화와 프론트힐 비트레이트 제약 조건이 동시에 작용할 경우 최적의 전력 제어 및 기능 분할 전략에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최적의 오프라인 정책는 각 에포크당 최대 두 가지 기능 분할 모드를 사용하며, 선택된 모드들 간에 전송 전력의 합과 채널 손실의 역수의 합이 동일하다.
• 융통성 있는 기능 분할은 특히 낮거나 중간 수준의 에너지 도착률에서 고정된 기능 분할 모드 대비 전송량을 크게 향상시킨다.
• 히우리스틱 온라인 정책는 최적의 온라인 정책과 매우 유사한 전송량 성능를 달성하여 높은 실용성 잠재력을 입증한다.
• 'relax and round' 기법은 이론적 상한선과 거의 동일한 성능를 보이며, 성능 기준 측정에 적합함을 검증한다.
• 에너지가 주요 제약 조건일 경우 전송량은 에너지 도착률에 대해 약 선형적으로 증가하지만, 고도의 도착률에서는 프론트힐 및 채널 상태 제약으로 인해 포화 상태에 도달한다.
• 고에너지 도착률에서 배터리 용량은 성능에 상당한 영향을 미치며, 에너지 낭비로 인한 유효 활용도 감소를 초래함을 보여주며, 에너지 버퍼링의 중요성을 강조한다.