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

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

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이방성 fading 채널에서 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 수행하는 다중 사용자 다운링크 시스템을 대상으로 순서 기반 스케줄링 기법을 제안한다. 최대값이 아닌 상승하는 신호대임계비(SNR) 또는 정규화된-SNR(N-SNR) 순서에 따라 사용자를 선택함으로써, 이론적 용량과 수확된 에너지 사이의 균형을 맞추며, 낮은 선택 순서일수록 에너지 수확은 증가하지만 용량은 감소한다. 반면, 순서 기반 동일throughput 스케줄러는 두 지표 모두에서 공정성을 보장한다.

ABSTRACT

Radio frequency energy harvesting presents a viable solution for prolonging the lifetime of wireless communication devices. 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 scheduling schemes in which the tradeoff between the users ’ ergodic capacities and their average amount of harvested energy can be controlled. In particular, we modify the well-known maximum signal-to-noise ratio (SNR) and the 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 system capacity. The order-based N-SNR scheduling scheme provides proportional fairness among the users in terms of both the ergodic capacity 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. 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 capacity of all proposed scheduling schemes are analyzed and obtained in closed-form for heterogeneous (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 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT) 시스템에서 이론적 용량과 평균 수확된 에너지 사이의 상충 관계를 해결한다.
• 시간 슬롯 기반 다운링크 시스템에서 용량-에너지 상충 관계를 제어 가능한 방식으로 조정할 수 있는 스케줄링 기법을 설계한다.
• 새로운 순서 기반 스케줄링을 통해 사용자 간 이론적 용량과 수확된 에너지 모두에서 비례 공정성을 확보한다.
• 이방성 fading 조건(Rayleigh, Rician, Nakagami-m, Weibull) 하에서 평균 수확된 에너지 및 이론적 용량에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 순서 기반 선택을 사용한 동일throughput 스케줄링을 달성하기 위한 가능 조건을 설정한다.

제안 방법

• 기존의 최대 SNR 및 최대 정규화된-SNR(N-SNR) 스케줄러를 수정하여 선택 순서 파라미터를 도입함. 이는 최대값 대신 k번째로 작은 SNR/N-SNR를 갖는 사용자를 선택하도록 한다.
• 모든 사용자 간의 전송률과 에너지 수확 간 균형을 맞추기 위해 순서 기반 N-SNR 스케줄러를 도입함으로써 비례 공정성을 달성한다.
• 이론적 용량과 수확된 에너지 모두에서 공정성을 보장하기 위해, 이동 평균 전송률이 가장 낮고, N-SNR 순서가 사전 정의된 허용 순서 집합 내에 있는 사용자를 선택하는 순서 기반 동일throughput(ET) 공정 스케줄러를 제안한다.
• 순서 통계 이론을 활용하여 다양한 fading 분포에서 평균 사용자별 수확된 에너지 및 이론적 용량에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 제안된 순서 기반 ET 스케줄러 하에서 동일throughput 스케줄링을 달성하기 위한 가능 조건을 수립한다.
• Rayleigh, Rician, Nakagami-m, Weibull fading 채널 전반에서 분석 결과를 시뮬레이션을 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 사용자 SWIPT 시스템에서 이론적 용량과 평균 수확된 에너지 사이의 상충 관계는 어떻게 제어할 수 있는가?
• RQ2 최대값 대신 상승하는 SNR 또는 N-SNR 순서에 따라 사용자를 선택할 경우 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 순서 기반 스케줄링은 사용자 간 이론적 용량과 수확된 에너지 모두에서 비례 공정성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 순서 기반 프레임워크에서 동일throughput 스케줄링을 달성하기 위한 가능 조건은 무엇인가?
• RQ5 이방성 fading 채널 하에서 평균 수확된 에너지 및 이론적 용량에 대한 폐쇄형 표현식은 무엇인가?

주요 결과

• 순서 기반 SNR/N-SNR 스케줄러에서 낮은 선택 순서일수록 평균 수확된 에너지가 증가하지만 이론적 시스템 용량은 감소한다.
• 순서 기반 N-SNR 스케줄러는 사용자 간 이론적 용량과 평균 수확된 에너지를 균형 있게 유지함으로써 비례 공정성을 달성한다.
• 순서 기반 동일throughput 스케줄러는 이동 평균 전송률과 허용된 N-SNR 순서 집합을 기반으로 사용자를 선택함으로써 전송률의 공정성과 에너지 수확 효율성을 동시에 유지한다.
• 순서 통계 이론을 활용하여 Rayleigh, Rician, Nakagami-m, Weibull fading 채널에 대해 평균 사용자별 수확된 에너지 및 이론적 용량에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하였다.
• 동일throughput 스케줄링 달성을 위한 가능 조건을 체계적으로 유도하였으며, 이는 허용된 N-SNR 선택 순서 집합에 따라 달라진다.
• 시뮬레이션 결과는 분석 결과를 확인하였으며, 모든 고려된 fading 분포에서 폐쇄형 표현식의 정확성이 입증되었다.