[논문 리뷰] Multiuser Joint Energy-Bandwidth Allocation with Energy Harvesting - Part II: Multiple Broadcast Channels & Proportional Fairness

Zhe Wang, Vaneet Aggarwal외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 10.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중 오рhogonal 및 비오르소곤럴 브로드캐스트 채널을 통해 에너지 수확 기반 전송기를 갖춘 다중 사용자 무선 네트워크에서 최적의 에너지-대역폭 할당 알고리즘을 제안한다. 반복적인 에너지 및 대역폭 하위문제로 분해함으로써 O(MK²)의 복잡도를 달성하고, 가중치 변환을 통해 비례적 공정성을 실현하며, 에너지 수확 제약 조건 하에서 비오르소곤럴 브로드캐스트가 오르소곤럴 전송에 비해 제한적인 성능 향상을 제공한다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we consider the energy-bandwidth allocation for a network with multiple broadcast channels, where the transmitters access the network orthogonally on the assigned frequency band and each transmitter communicates with multiple receivers orthogonally or non-orthogonally. We assume that the energy harvesting state and channel gain of each transmitter can be predicted for $K$ slots {\em a priori}. To maximize the weighted throughput, we formulate an optimization problem with $O(MK)$ constraints, where $M$ is the number of the receivers, and decompose it into the energy and bandwidth allocation subproblems. In order to use the iterative algorithm proposed in [1] to solve the problem, we propose efficient algorithms to solve the two subproblems, so that the optimal energy-bandwidth allocation can be obtained with an overall complexity of ${\cal O}(MK^2)$, even though the problem is non-convex when the broadcast channel is non-orthogonal. For the orthogonal broadcast channel, we further formulate a proportionally-fair (PF) throughput maximization problem and derive the equivalence conditions such that the optimal solution can be obtained by solving a weighted throughput maximization problem. Further, the algorithm to obtain the proper weights is proposed. Simulation results show that the proposed algorithm can make efficient use of the harvested energy and the available bandwidth, and achieve significantly better performance than some heuristic policies for energy and bandwidth allocation. Moreover, it is seen that with energy-harvesting transmitters, non-orthogonal broadcast offers limited gain over orthogonal broadcast.

연구 동기 및 목표

• 다양한 오르소곤럴 및 비오르소곤럴 브로드캐스트 채널을 통해 다수의 수신기와 통신하는 다수의 에너지 수확 전송기를 위한 최적의 동시 에너지-대역폭 할당 전략을 설계한다.
• 비볼록성 문제를 다루기 위해 복잡도가 낮은 에너지 및 대역폭 하위문제로 분해하는 방법을 제안한다.
• 유도된 최적의 가중치를 사용해 비례적 공정성(Proportional Fairness, PF) 문제를 가중된 총 throughput 최적화 문제로 변환함으로써 전송량의 비례적 공정성을 달성한다.
• 에너지 수확 제약 조건 하에서 비오르소곤럴 브로드캐스트가 오르소곤럴 전송에 비해 얼마나 많은 성능 향상을 제공하는지 입증한다.

제안 방법

• 예측된 에너지 수확 및 채널 상태 하에서, 다중 브로드캐스트 채널에 대해 O(MK)개의 제약 조건을 갖는 동시 에너지-대역폭 할당 문제를 수립한다.
• 이전 연구에서 유래된 반복 알고리즘을 사용해 문제를 에너지 할당 및 대역폭 할당 하위문제로 분해한다.
• 비오르소곤럴 브로드캐스트 조건에서도 O(MK²)의 총 복잡도로 두 하위문제를 효율적으로 해결하는 알고리즘을 개발한다.
• 비례적 공정성(Proportional Fairness, PF)을 위해, PF 문제를 가중된 전송량 최적화 문제로 변환할 수 있는 등가 조건을 유도한다.
• 비례적 공정한 전송량을 달성하기 위해 가중된 문제에 적합한 가중치를 계산하는 알고리즘을 제안한다.
• 해석 정책 및 볼록 최적화 솔버와의 비교를 통해 시뮬레이션을 통해 접근 방식을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비볼록성 문제일지라도, 에너지 수확 기반 다중 사용자, 다중 브로드캐스트 채널 네트워크에서 최적의 에너지-대역폭 할당을 달성할 수 있는가?
• RQ2 오르소곤럴 및 비오르소곤럴 브로드캐스트 환경에서 동시 에너지 및 대역폭 할당 문제를 최적의 방식으로 분해하고 해결할 수 있는가?
• RQ3 제한된 배터리 용량과 시간에 따라 변하는 채널 조건을 갖는 에너지 수확 네트워크에서 비례적 공정성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 에너지 수확 제약 조건 하에서 비오르소곤럴 브로드캐스트가 오르소곤럴 브로드캐스트에 비해 얼마나 많은 성능 향상을 제공하는가?
• RQ5 비례적 공정성 문제를 계산 가능한 가중치를 갖는 가중된 전송량 최적화 문제로 등가로 변환할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 일반적인 볼록 최적화 솔버와 동일한 성능를 달성함으로써 최적성의 타당성을 입증하였으며, 게으른 전략 및 전통적인 PF 스케줄링과 비교해 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 비례적 공정성(Proportional Fairness, PF) 가중치의 근사치로 초기화할 경우 알고리즘 수렴 속도가 빨라져 K=20 슬롯일 때 약 10회 반복 내에 근사 최적 성능에 도달한다.
• 에너지 과잉 및 공정성 제약 조건으로 인해 에너지 수확 네트워크에서 비오르소곤럴 브로드캐스트는 오르소곤럴 브로드캐스트에 비해 전송량 향상이 제한적이다.
• 기존의 비례적 공정성 정책은 에너지 가용성과 배터리 제약 조건을 고려하지 않기 때문에 에너지 수확 전송기에서는 최적성이 떨어진다.
• 제안된 가중치 계산 알고리즘은 PF 문제를 가중된 총 수신률 최적화 문제로 변환함으로써 정확한 비례적 공정한 전송량 최적화를 가능하게 한다.
• 전체 알고리즘은 O(MK²)의 복잡도를 확보하여 실용적인 다중 사용자 에너지 수확 네트워크에 적용 가능한 확장성과 효율성을 확보한다.