[논문 리뷰] Optimizing Energy-Harvesting Hybrid VLC/RF Networks with Random Receiver Orientation

Amir Hossein Fahim Raouf, Chethan Kumar Anjinappa외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 06.

Optical Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 에너지 수확 가능한 릴레이를 갖춘 하이브리드 VLC/RF 네트워크에서 수신기 방향이 무작위일 경우를 고려하여 DC 보정과 시간 할당의 공동 최적화를 제안한다. 비볼록 최적화 문제를 순환하는 부분 문제로 분해하고, 균일한 방향 분포 하에서 평균 데이터 전송률에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도함으로써, 특히 더 먼 릴레이 거리와 더 넓은 광선 각도에서 DC 보정 전용 최적화보다 높은 데이터 전송률을 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates an indoor hybrid visible light communication (VLC) and radio frequency (RF) scenario with two-hop downlink transmission. A light emitting diode (LED) transmits both data and energy via VLC to an energy-harvesting relay node, which then uses the harvested energy to retransmit the decoded information to an RF user in the second phase. The design parameters include the direct current (DC) bias and the time allocation for VLC transmission. We formulate an optimization problem to maximize the data rate under decode-and-forward relaying with fixed receiver orientation. The non-convex problem is decomposed into two sub-problems, solved iteratively by fixing one parameter while optimizing the other. Additionally, we analyze the impact of random receiver orientation on the data rate, deriving closed-form expressions for both VLC and RF rates. An exhaustive search approach is employed to solve the optimization, demonstrating that joint optimization of DC bias and time allocation significantly enhances the data rate compared to optimizing DC bias alone.

연구 동기 및 목표

• 에너지 제약이 있는 실내 무선 네트워크의 성능 저하 요인을 해결하기 위해, 릴레이에서 에너지 수확이 가능한 이중점의 하이브리드 VLC/RF 통신을 가능하게 한다.
• 원거리 RF 수신기에서의 데이터 전송률을 최대화하기 위해 DC 보정과 VLC 전송 시간 지속시간의 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 기존 연구에서 자주 忽略되는 수신기 방향의 무작위성 영향을 하이브리드 VLC/RF 시스템의 가용 전송률에 미치는 영향을 조사한다.
• 균일한 수신기 방향 분포 하에서 평균 VLC 및 RF 전송률에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도하여 체계적인 설계 및 최적화를 가능하게 한다.
• 절대적 탐색을 통해 DC 보정과 시간 할당의 공동 최적화가 DC 보정 전용 최적화보다 뛰어난 성능을 보임을 입증하며, 특히 도전적인 채널 조건에서 두드러진다.

제안 방법

• 이중 단계 전송 모델을 수립한다: 첫 번째 단계에서는 VLC 링크가 데이터와 에너지를 에너지 수확 릴레이에 전달하고, 두 번째 단계에서는 릴레이가 수확한 에너지를 사용해 RF를 통해 먼 사용자에게 데이터를 전달한다.
• 릴레이의 VLC 및 RF 전송으로부터의 에너지 수확을 모델링하며, RF 단계 동안도 지속적인 DC 보정 전력 공급으로 에너지 수확을 계속하도록 한다.
• DC 보정과 VLC 시간 지속시간의 비볼록 공동 최적화 문제를 해결하기 위해, 두 가지 순환 부분 문제로 분해한다: 시간 지속시간을 고정하고 주요화 최소화(MM)를 통해 DC 보정을 최적화한 후, DC 보정을 고정하고 시간 지속시간을 최적화한다.
• 실제 이동성과 장치의 정렬 오류를 모델링하기 위해 릴레이 방향을 균일한 무작위 분포로 가정하고, 평균 VLC 및 RF 전송률에 대한 닫힌 형태의 하한을 유도한다.
• 정확한 적분 표현식과 몬테카를로 시뮬레이션을 사용해 유도된 닫힌 형태의 표현식을 검증하여, 확률적 방향 조건 하에서도 분석 정확성을 확보한다.
• DC 보정과 시간 지속시간에 대한 절대적 탐색을 수행하여 최적의 파rameter를 식별하며, 릴레이 거리, 광선 각도, 방향 범위 변화에 따라 평가한다.

Figure 1 : The system model for the considered VLC-RF transmission scenario. The VLC link carries both data and energy to the relay node. The harvested energy is then used at the relay node to forward the data to the far RF user.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무작위 수신기 방향은 하이브리드 VLC/RF 에너지 수확 릴레이 네트워크에서 가용 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 원거리 RF 수신기에서의 데이터 전송률을 최대화하기 위해 VLC 링크의 DC 보정과 시간 할당 사이의 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 DC 보정과 VLC 전송 시간 지속시간의 공동 최적화는 DC 보정 전용 최적화보다 더 높은 전송률을 제공하는가?
• RQ4 LED의 반력반각(Φ)은 수신기 방향이 무작위일 경우 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 RF 전송 단계 동안 에너지 수확을 수행할 경우 전체 전송률과 시스템 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 DC 보정과 VLC 시간 지속시간의 공동 최적화는 특히 릴레이가 LED에서 더 멀리 떨어져 있을 경우 DC 보정 전용 최적화보다 더 높은 전송률을 달성한다.
• 무작위 수신기 방향은 가용 전송률을 크게 떨어뜨리며, 방향 범위(θ₂)가 10°에서 50°로 증가함에 따라 최적 전송률이 감소한다.
• RF 전송 단계에서 에너지 수확을 수행하는 경우(Case 1 및 Case 3) 최적 전송률이 향상되며, 특히 릴레이 거리가 증가해 VLC 채널 이득이 낮아질 경우 두드러진다.
• 릴레이가 d_r = 0 m에 있을 경우 반력반각(Φ)을 60°에서 90°로 증가시키면 채널 이득이 낮아져 전송률이 감소하지만, d_r = 4 m에서는 넓은 광선 각도가 성능 유지에 도움이 된다.
• 유도된 평균 VLC 및 RF 전송률에 대한 닫힌 형태의 표현식은 시뮬레이션 결과와 정확한 적분 평가 결과와 매우 유사하게 일치하여 분석 모델의 타당성을 검증한다.
• RF 전송 단계에서 에너지 수확을 무시하고 시간 지속시간을 적응적으로 조정하지 않을 경우, 특히 d_r = 4 m에서 1 Mbps 전송률 기준선을 충족하지 못한다.

Figure 2 : The transmission block under consideration with consecutive time periods dedicated for VLC (relay) and RF (access) links. The VLC link is used both as a backhaul to relay the data and for energy harvesting.