[논문 리뷰] On Information and Energy Cooperation in Energy Harvesting Cognitive Radio

Jeya Pradha J, Sanket S. Kalamkar외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 16.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 에너지 수확 기반 콘텐츠 라디오 네트워크에서 정보 및 에너지 공유를 통합한 프레임워크를 제안한다. 여기서 부가 사용자는 주 사용자 데이터를 중계하면서 주 사용자로부터 에너지를 수신하여 공유를 지속한다. 이 방식은 둘 다에 대한 최소 전송률 보장을 유지하면서 유한한 배터리 용량 제약 조건 하에서 주 사용자의 전송률을 최대화하며, 정보 공유만 하는 경우에 비해 에너지 공유가 공유 영역을 크게 확장하고 주 사용자 전송률을 향상시킴을 보여준다.

ABSTRACT

This paper considers the cooperation between primary and secondary users at information and energy levels when both users are energy harvesting nodes. In particular, a secondary transmitter helps relaying the primary message, and in turn, gains the spectrum access as a reward. Also, the primary transmitter supplies energy to the secondary transmitter if the latter is energy-constrained, which facilitates an uninterrupted cooperation. We address this two-level cooperation over a finite horizon with the finite battery constraint at the secondary transmitter. While promising the rate-guaranteed service to both primary and secondary users, we aim to maximize the primary rate. We develop an iterative algorithm that obtains the optimal offline power policies for primary and secondary users. To acquire insights about the structure of the optimal solution, we examine specific scenarios. Furthermore, we investigate the effects of the secondary rate constraint and finite battery on the primary rate and the probability of cooperation. We show that the joint information and energy cooperation increases the chances of cooperation and achieves significant rate gains over only information cooperation.

연구 동기 및 목표

• 부가 사용자가 주 사용자 데이터를 중계할 수 있는 에너지를 확보하지 못해 협업이 불안정해질 수 있는 에너지 수확 기반 콘텐츠 라디오 시스템에서의 도전 과제를 해결한다.
• 주 사용자와 부가 사용자 간에 정보 및 에너지 공유를 동시에 수행하는 이중 수준의 협업을 도입하여 시스템의 신뢰성과 스펙트럼 효율을 향상시킨다.
• 유한한 시간 간격 동안 주 사용자의 데이터 전송률을 최대화하면서 주 사용자와 부가 사용자 양자 모두에 대한 최소 전송률 제약 조건을 보장한다.
• 부가 사용자 송신기의 유한한 배터리 용량을 고려하여 에너지 저장 한계와 협업 지속 가능성에 영향을 미치는 요소를 분석한다.
• 에너지와 정보 제약 조건이 상호 연결된 상황에서 최적의 전력 정책을 산출하기 위한 오프라인 최적화 프레임워크를 개발한다.

제안 방법

• 주 사용자 전송률을 최대화하기 위한 오프라인 최적화 문제를 수립하며, 부가 사용자 전송률 제약 조건과 유한한 배터리 용량 제약 조건을 포함한다.
• 기본 분해를 사용하여 결합된 문제를 분해하고, 주 사용자 및 부가 사용자 송신기의 최적 전력 할당을 반복적으로 계산한다.
• 주 사용자와 부가 사용자 노드에서의 에너지 수확을 확률적 에너지 가용성(슬롯당 50% 확률)으로 모델링하고, 주 사용자에서 부가 사용자로의 에너지 전송 효율 α를 통합한다.
• N개의 시간 슬롯으로 구성된 유한한 시간 프레임워크를 사용하며, 에너지 및 채널 상태가 사전에 알려져 있다고 가정한다(오프라인 최적화), 최적 정책 유도를 가능하게 한다.
• 에너지 인과성 제약 조건을 적용하여, 부가 사용자가 축적한 에너지(수확한 에너지 + 주 사용자로부터 수신한 에너지) 이내에서만 전송하도록 보장한다.
• 비음수 전력 할당을 모델링하기 위해 [x]+ 표기법을 사용하여 에너지 인과성 및 배터리 용량 제약 조건을 충족시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 수확 기반 콘텐츠 라디오에서 정보 공유만 하는 경우에 비해 정보 및 에너지 공유를 통한 이중 협업이 가용 전송률 영역에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 부가 사용자의 전송률 제약 조건이 성공적인 협업 확률과 주 사용자 전송률에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 부가 사용자에 대한 유한한 배터리 용량 제약 조건이 협업의 가능성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어떤 채널 조건과 에너지 조건에서 주 사용자와 부가 사용자 간에 가상의 이중 방향 에너지 공유가 발생하는가?
• RQ5 정보 공유만 하는 경우에 비해 에너지 공유가 주 사용자 전송률을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 정보 및 에너지 공유를 통한 이중 협업은 가용 전송률 영역을 확장하여, 정보 공유만 하는 경우에 비해 부가 사용자 전송률을 최대 2.51 nats/slot/Hz까지 끌어올린다.
• 에너지 공유 덕분에 협업 확률이 크게 증가하며, 주 사용자가 에너지를 전송하여 에너지 제약이 있는 부가 사용자가 활성 상태를 유지하고 중계 기능을 수행할 수 있게 된다.
• 부가 사용자에 대한 유한한 배터리 용량 제약 조건은 에너지 공유의 이점을 제한한다; 더 큰 배터리 용량일수록 주 사용자 전송률 향상 효과가 크며, 일정 수준 이상에서는 수익 감소 현상이 나타난다.
• 에너지 공유 덕분에 부가 사용자의 전송률 제약 조건이 증가하더라도 주 사용자가 더 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있으며, 이는 신뢰성 향상과 지속적인 중계 능력 향상 덕분이다.
• PT-PR 링크가 ST-PR 링크보다 우수할 경우, 수확한 에너지와 채널 조건에 따라 가상의 이중 방향 에너지 공유가 발생할 수 있다.
• 정보 공유만 하는 경우에 비해 이중 협업을 통한 주 사용자 전송률은 상당한 폭으로 높아지며, 특히 부가 사용자 배터리 용량이 크고 에너지 전송 효율 α가 높을 경우 두드러진다.