[논문 리뷰] Throughput Optimal Policies for Energy Harvesting Wireless Transmitters with Non-Ideal Circuit Power

Jie Xu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 17.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 17인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 비이상적인 회로 소비 전력(활동 시 일정한 회로 전력 소비)을 갖는 에너지 수확 무선 송신기의 스루풋 최적 전력 할당 정책을 제안한다. 오프라인 최적의 이중 단계 정책(먼저 에너지 효율성 최대화, 그 다음 스펙트럼 효율성 최대화)을 개발하고, 부분적인 에너지 상태 정보를 갖는 온라인 환경으로 확장하여, 에너지 수확 제약 조건 하에서 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성 최적화의 통합을 드러낸다.

ABSTRACT

Characterizing the fundamental tradeoffs for maximizing energy efficiency (EE) versus spectrum efficiency (SE) is a key problem in wireless communication. In this paper, we address this problem for a point-to-point additive white Gaussian noise (AWGN) channel with the transmitter powered solely via energy harvesting from the environment. In addition, we assume a practical on-off transmitter model with non-ideal circuit power, i.e., when the transmitter is on, its consumed power is the sum of the transmit power and a constant circuit power. Under this setup, we study the optimal transmit power allocation to maximize the average throughput over a finite horizon, subject to the time-varying energy constraint and the non-ideal circuit power consumption. First, we consider the off-line optimization under the assumption that the energy arrival time and amount are a priori known at the transmitter. Although this problem is non-convex due to the non-ideal circuit power, we show an efficient optimal solution that in general corresponds to a two-phase transmission: the first phase with an EE-maximizing on-off power allocation, and the second phase with a SE-maximizing power allocation that is non-decreasing over time, thus revealing an interesting result that both the EE and SE optimizations are unified in an energy harvesting communication system. We then extend the optimal off-line algorithm to the case with multiple parallel AWGN channels, based on the principle of nested optimization. Finally, inspired by the off-line optimal solution, we propose a new online algorithm under the practical setup with only the past and present energy state information (ESI) known at the transmitter.

연구 동기 및 목표

• 비이상적인 회로 전력이 있는 에너지 수확 무선 시스템에서 에너지 효율성(EE)과 스펙트럼 효율성(SE) 간의 기본적 트레이드오프를 다루기.
• 시간에 따라 변하는 에너지 도착과 고정된 회로 전력 조건 하에서 유한한 시간 간격 동안 평균 스루풋을 최대화하는 문제를 수립하고 해결하기.
• 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성 최대화를 동시에 달성하는 이중 단계 전송 전략을 통한 최적 오프라인 정책 개발하기.
• 중첩 최적화 원리를 활용하여 다중 병렬 AWGN 채널로의 오프라인 솔루션 확장하기.
• 과거 및 현재 에너지 상태 정보(ESI)를 기반으로 한 실용적인 온라인 알고리즘 제안하기. 이는 오프라인 최적 구조를 영감으로 삼음.

제안 방법

• 비이상적인 전력 모델을 갖는 송신기를 모델링: 총 전력 = 전송 전력 + 일정한 회로 전력(α), 비활성 모드 시 전력 0.
• 에너지 인과성 제약 조건과 비이상적인 회로 전력 조건 하에서 평균 스루풋을 최대화하는 오프라인 최적화 문제 수립.
• 최적 해가 두 단계로 구성됨을 증명: (1) EE 최대화를 위한 온오프 할당, (2) 시간에 따라 비감소하는 전력 할당을 통한 SE 최대화.
• 볼록 완화와 이중성을 활용하여 전송 전력에 대한 스루풋 함수가 엄격하게 볼록임을 보이며, 효율적인 최적화 가능함을 입증.
• 워터필링 원리를 기반으로 한 중첩 최적화 프레임워크를 활용해 다중 병렬 AWGN 채널로의 솔루션 확장.
• 과거 및 현재 에너지 상태 정보만을 사용하는 온라인 알고리즘 설계. 이는 오프라인 최적 정책의 구조를 모방함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비이상적인 회로 전력이 있는 에너지 수확 무선 시스템에서 이상 모델과 비교해 기본적인 EE-SE 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 시간에 따라 변하는 에너지 도착과 고정된 회로 전력 조건 하에서 스루풋을 최대화하는 최적의 오프라인 전력 할당 정책은 무엇인가?
• RQ3 최적의 오프라인 정책는 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성을 별도로 최적화하는 단계로 분해될 수 있는가?
• RQ4 부분적인 에너지 상태 정보만을 갖는 실용적인 온라인 알고리즘으로 오프라인 최적 구조를 어떻게 적응시킬 수 있는가?
• RQ5 제안된 온라인 알고리즘은 에너지 수확 시스템에서 기존의 전력 제어 전략에 비해 어떤 성능 향상을 제공하는가?

주요 결과

• 최적의 오프라인 정책는 이중 단계 전송 전략으로 구성되며, 첫 번째 단계는 에너지 효율성 최대화를 위한 온오프 할당, 두 번째 단계는 스펙트럼 효율성 최대화를 위한 비감소 전력 할당이다.
• 비이상적인 회로 전력의 존재는 EE-SE 트레이드오프를 본질적으로 변화시키며, 이로 인해 하나의 최적 정책에서 두 목표를 통합할 수 있게 된다.
• 단일 채널 케이스의 최적 해는 이중성 갭이 0인 볼록 최적화 문제를 풀어 얻어지며, 이는 전역 최적성을 보장한다.
• 다중 병렬 AWGN 채널의 경우, 중첩 최적화를 통해 최적 정책이 유도되며, 이는 계층적으로 워터필링 전력 할당이 적용된다.
• 오프라인 최적 구조를 영감으로 삼은 제안된 온라인 알고리즘은 과거 및 현재 에너지 상태 정보만을 사용하여 근사 최적 성능를 달성한다.
• 스루풋 함수는 전송 전력에 대해 엄격하게 볼록하므로, 최적 해의 유일성과 안정성을 보장한다.