[논문 리뷰] Multi-user Scheduling Schemes for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer Over Fading Channels

Rania Morsi, Diomidis S. Michalopoulos외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 09.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 동시 무선 정보 및 에너지 전송(SWIET)을 갖춘 다중 사용자 다운링크 시스템을 대상으로 순서 기반 신호 대 잡음비(SNR) 및 정규화된 SNR(N-SNR) 스케줄링 방안을 제안한다. 최고의 채널 품질 대신 j번째로 좋은 채널 품질을 갖춘 사용자를 스케줄링하여, 평균 용량과 수확된 에너지 사이의 트레이드오프를 제어한다. 더 작은 j 값은 통신 용량 감소를 감수하면서 에너지 수확을 증가시키며, 동적 전압 스케일링을 통한 잠재적 입자 제곱 승수 감소를 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this paper, we study downlink multi-user scheduling for a time-slotted system with simultaneous wireless information and power transfer. In particular, in each time slot, a single user is scheduled to receive information, while the remaining users opportunistically harvest the ambient radio frequency energy. We devise novel online scheduling schemes in which the tradeoff between the users' ergodic rates and their average amount of harvested energy can be controlled. In particular, we modify the well-known maximum signal-to-noise ratio (SNR) and maximum normalized-SNR (N-SNR) schedulers by scheduling the user whose SNR/N-SNR has a certain ascending order (selection order) rather than the maximum one. We refer to these new schemes as order-based SNR/N-SNR scheduling and show that the lower the selection order, the higher the average amount of harvested energy in the system at the expense of a reduced ergodic sum rate. The order-based N-SNR scheduling scheme provides proportional fairness among the users in terms of both the ergodic achievable rate and the average harvested energy. Furthermore, we propose an order-based equal throughput (ET) fair scheduler, which schedules the user having the minimum moving average throughput out of the users whose N-SNR orders fall into a given set of allowed orders. We show that this scheme provides the users with proportionally fair average harvested energies. In this context, we also derive feasibility conditions for achieving ET with the order-based ET scheduler. Using the theory of order statistics, the average per-user harvested energy and ergodic achievable rate of all proposed scheduling schemes are analyzed and obtained in closed form for independent and non-identically distributed Rayleigh, Ricean, Nakagami-m, and Weibull fading channels. Our closed-form analytical results are corroborated by simulations.

연구 동기 및 목표

• 다중 사용자 SWIET 시스템에서 시스템 용량과 에너지 수확 간의 트레이드오프를 해결하기 위해.
• 기존 스케줄링 방식(예: 최대-SNR, 라운드로빈)을 확장하여 정보 전송과 에너지 전송을 동시에 최적화하기 위해.
• 조절 가능한 매개변수 j를 도입하여 비율적 공정성과 에너지 효율성을 달성하기 위해.
• i.i.d. 라이스 채널 및 레이일리 fading 채널에서의 평균 용량과 평균 수확된 에너지를 분석하기 위해.

제안 방법

• 정보 전송을 위해 SNR가 j번째로 오름차순으로 정렬된 사용자를 선택하는 순서 기반 SNR 스케줄링을 제안한다.
• 정규화된 SNR(N-SNR)가 j번째로 정렬된 사용자를 스케줄링하는 순서 기반 N-SNR 스케줄링을 도입한다.
• 순서 통계 이론을 적용하여 i.n.d. 레이일리 fading에서 평균 용량과 평균 수확된 에너지에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 기준 방식인 라운드로빈(RR) 및 동일 용량(ET) 스케줄링을 공동 WIET 환경에서 분석한다.
• 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하고 다양한 fading 조건에서의 성능 트레이드오프를 평가한다.
• 사용자 수 N과 스케줄링 순서 j가 시스템 용량과 총 수확된 에너지에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최고의 사용자 대신 j번째로 좋은 사용자를 스케줄링할 경우, SWIET 시스템에서 평균 용량과 평균 수확된 에너지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 순서 기반 스케줄링 하에서 사용자 수 N이 시스템의 전송률-에너지 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 순서 기반 N-SNR 방식은 절대적 SNR 스케줄링 대비 공정성과 에너지 효율성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 기준 방식(RR 및 ET)과 제안된 순서 기반 방식 간의 용량 및 에너지 수확 측면에서의 성능 격차는 얼마인가?

주요 결과

• 순서 기반 SNR/N-SNR 스케줄링에서 j의 값이 작아질수록 평균 수확된 에너지가 증가하지만 평균 시스템 용량은 감소하여 조절 가능한 전송률-에너지 트레이드오프를 실현한다.
• 순서 기반 N-SNR 방식은 최대-SNR 방식이 강한 채널을 선호하는 것과 달리, 다양한 채널 조건을 갖춘 사용자 간 비율적 공정성을 달성한다.
• j=1일 경우, 사용자 수 N이 증가함에 따라 평균 수확된 에너지가 증가하지만, 가장 약한 채널을 선택함으로써 MUD 손실로 인해 평균 용량은 감소한다.
• j=N일 경우, 가장 강한 채널을 선택함으로써 MUD 이득이 발생하여 평균 용량이 N에 따라 증가하고, 총 수확된 에너지도 증가한다.
• 중간 j 값(예: j=N/2)에서는 N≥8일 경우 시스템 용량이 거의 일정하게 유지되며, 균형 잡힌 트레이드오프를 나타낸다.
• 절대적 SNR와 정규화된 SNR 스케줄링 간의 성능 격차는 미미하지만, N-SNR 스케줄링은 공정성 측면에서 뛰어나 실무에서 우선 선택된다.