[논문 리뷰] Throughput Maximization in Wireless Powered Communication Networks

Hyunsgsik Ju, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 30.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 57

한 줄 요약

이 논문은 무선 전력 통신 네트워크(WPCNs)에서 하이브리드 액세스 포인트(H-AP)가 먼저 사용자들에게 무선 에너지를 방송하고, 사용자들이 수확한 에너지를 사용하여 TDMA를 통해 정보를 전송하는 '수확-전송' 프로토콜을 제안한다. 주요 기여는 '이중 근-원거리 문제'의 발견으로, 멀리 떨어진 사용자들은 하향링크 채널 조건이 열 劣하여 상향링크 전송 전력이 더 필요로 하여 할당된 비율이 불공평해지는 현상이다. 이를 해결하기 위해, 동일한 전송률을 보장하는 공통 Throughput 최적화 프레임워크를 도입하였으며, 이는 폐쇄형 해를 가지는 볼록 최적화 기법을 통해 해결된다.

ABSTRACT

This paper studies the newly emerging wireless powered communication network (WPCN) in which one hybrid access point (H-AP) with constant power supply coordinates the wireless energy/information transmissions to/from distributed users that do not have energy sources. A "harvest-then-transmit" protocol is proposed where all users first harvest the wireless energy broadcast by the H-AP in the downlink (DL) and then send their independent information to the H-AP in the uplink (UL) by time-division-multiple-access (TDMA). First, we study the sum-throughput maximization of all users by jointly optimizing the time allocation for the DL wireless power transfer versus the users' UL information transmissions given a total time constraint based on the users' DL and UL channels as well as their average harvested energy values. By applying convex optimization techniques, we obtain the closed-form expressions for the optimal time allocations to maximize the sum-throughput. Our solution reveals "doubly near-far" phenomenon due to both the DL and UL distance-dependent signal attenuation, where a far user from the H-AP, which receives less wireless energy than a nearer user in the DL, has to transmit with more power in the UL for reliable information transmission. Consequently, the maximum sum-throughput is achieved by allocating substantially more time to the near users than the far users, thus resulting in unfair rate allocation among different users. To overcome this problem, we furthermore propose a new performance metric so-called common-throughput with the additional constraint that all users should be allocated with an equal rate regardless of their distances to the H-AP. We present an efficient algorithm to solve the common-throughput maximization problem. Simulation results demonstrate the effectiveness of the common-throughput approach for solving the new doubly near-far problem in WPCNs.

연구 동기 및 목표

• 배터리 교체가 불가능한, 특히 원거리 또는 위험한 환경에서 에너지 제약이 있는 무선 네트워크의 과제를 해결하기 위해.
• 하이브리드 액세스 포인트(H-AP)로부터의 RF 에너지 수확을 활용하여 무선 전력 통신 네트워크(WPCNs)에서 지속 가능한 운영을 가능하게 하는 프로토콜을 설계하기 위해.
• 하향링크 및 상향링크 채널의 경로 손실을 고려하여 시간 및 에너지 제약 하에서 상향링크 정보 전송의 합 Throughput를 최대화하기 위해.
• 합 Throughput 최적화에서 내재된 불공평성 문제를 해결하기 위해, 멀리 떨어진 사용자들이 하향링크 에너지 수신 조건이 열 劣하고 상향링크 전송 전력 요구량이 높아지므로 불리한 위치에 놓이는 문제를 다루기 위해.
• 모든 사용자가 거리에 관계없이 동일한 데이터 전송률을 확보할 수 있도록 보장하는 공통 Throughput 지표를 제안하여 WPCNs에서 공정한 자원 할당을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• H-AP가 먼저 하향링크(DL)에서 무선 에너지를 방송하고, 그 후 사용자들이 TDMA를 통해 상향링크(UL)에서 정보를 전송하는 '수확-전송' 프로토콜을 제안한다.
• 전체 시간 제약 조건 하에서, 에너지 전송을 위한 하향링크 시간과 정보 전송을 위한 상향링크 시간을 동시에 최적화한다.
• 합 Throughput 최적화 문제를 해결하기 위해 볼록 최적화 기법을 사용하며, 최적의 시간 할당에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 멀리 떨어진 사용자들이 하향링크에서 더 적은 에너지를 수확하고 상향링크에서 더 높은 전력으로 전송해야 하므로, 이로 인해 불공평성이 악화되는 '이중 근-원거리 현상'을 규명한다.
• 모든 사용자 간 동일한 전송률 제약 조건을 갖는 공통 Throughput 최적화 문제를 도입하고, 이를 볼록 최적화 문제로 재구성한다.
• 라그랑주 이중성과 KKT 조건을 활용하여 효율적인 알고리즘을 개발하여 공통 Throughput 최적화 문제를 해결하며, 유일한 해를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 및 에너지 제약 조건 하에서 무선 전력 통신 네트워크의 합 Throughput를 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 하향링크 및 상향링크 채널의 경로 손실이 WPCNs에서 사용자 간 공정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존의 합 Throughput 최적화가 왜 WPCNs에서 불공평한 비율 할당을 초래하는가? 이 '이중 근-원거리 현상'의 원인은 무엇인가?
• RQ4 전체 시스템 성능을 희생시키지 않고도 WPCNs에서 공정한 비율 할당을 달성할 수 있는가?
• RQ5 에너지 수확 사용자들을 포함한 WPCNs에서 공정한 Throughput 할당을 효율적으로 계산할 수 있는 최적화 프레임워크는 무엇인가?

주요 결과

• 합 Throughput 최적화 문제는 볼록이므로, 볼록 최적화 기법을 통해 폐쇄형 해를 얻을 수 있다.
• 최적의 시간 할당은 근거리 사용자에게 더 많은 시간을 할당하여, '이중 근-원거리 효과'로 인해 심각한 불공평성이 발생한다.
• '이중 근-원거리 현상'은 멀리 떨어진 사용자들이 하향링크에서 더 적은 에너지를 수확하고 상향링크에서 더 높은 전력으로 전송해야 하므로, 비트당 에너지 비용이 증가하기 때문이다.
• 공통 Throughput 최적화 프레임워크는 모든 사용자가 동일한 데이터 전송률을 확보하게 하여, 합 Throughput 최적화에서 내재된 불공평성 문제를 해결한다.
• 제안된 공통 Throughput 최적화 알고리즘은 효율적으로 수렴하며, 최적의 해는 라그랑주 이중성과 KKT 조건을 통해 도출된다.
• 시뮬레이션 결과는 공통 Throughput 접근 방식이 이중 근-원거리 문제를 효과적으로 완화하며, 사용자 간 공정하고 안정적인 성능을 달성함을 확인한다.