[논문 리뷰] User Cooperation in Wireless Powered Communication Networks

Hyungsik Ju, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 27.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 11인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 두 사용자로 구성된 무선 힘 공급 통신망(WPCN)에서 근거리 사용자가 수확한 에너지와 할당된 시간을 활용해 원거리 사용자의 데이터를 중계함으로써 가중합산비트레이트(WSR)를 최대화하기 위해 시간 및 전력 할당을 최적화하는 사용자 협업 기반의 협업 전략을 제안한다. 이 기법은 이중 근거리-원거리 문제를 효과적으로 완화하여 비협업 WPCN 설계 대비 전반적인 전송률과 공정성을 향상시킨다.

ABSTRACT

This paper studies user cooperation in the emerging wireless powered communication network (WPCN) for throughput optimization. For the purpose of exposition, we consider a two-user WPCN, in which one hybrid access point (H-AP) broadcasts wireless energy to two distributed users in the downlink (DL) and the users transmit their independent information using their individually harvested energy to the H-AP in the uplink (UL) through time-division-multiple-access (TDMA). We propose user cooperation in the WPCN where the user which is nearer to the H-AP and has a better channel for DL energy harvesting and UL information transmission uses part of its allocated UL time and DL harvested energy to help to relay the far user's information to the H-AP, in order to achieve more balanced throughput optimization. We maximize the weighted sum-rate (WSR) of the two users by jointly optimizing the time and power allocations in the network for both wireless energy transfer in the DL and wireless information transmission and relaying in the UL. Simulation results show that the proposed user cooperation scheme can effectively improve the achievable throughput in the WPCN with desired user fairness.

연구 동기 및 목표

• 하향링크 에너지 전송과 상향링크 정보 전송에서 비대칭 경로 손실로 인해 발생하는 이중 근거리-원거리 문제를 해결하기 위해.
• 에너지 제약 조건이 있는 WPCN에서 사용자 협업을 통해 시스템의 공정성과 전반적인 전송률을 향상시키기 위해.
• 하향링크 에너지 전송과 상향링크 정보 전송을 위한 중계 기반 전송을 고려하여 시간 및 전력 할당을 공동으로 최적화하기 위해.
• 총 시간 및 에너지 제약 조건 하에서 가중합산비트레이트(WSR)를 최대화하기 위해.
• 해석적 및 시뮬레이션 결과를 통해 협업 기반 WPCN 기법이 비협업 WPCN 기법 대비 성능 향상을 입증하기 위해.

제안 방법

• 하나의 하이브리드 액세스 포인트(H-AP)와 두 사용자를 포함하는 두 사용자 WPCN을 모델링하며, H-AP는 하향링크에서 RF 에너지를 방송하고 사용자들은 TDMA를 통해 상향링크에서 데이터를 전송한다.
• 근거리 사용자(U2)가 자신의 상향링크 시간의 일부와 수확한 에너지를 활용해 원거리 사용자(U1)의 데이터를 자신의 데이터 전송 이전에 H-AP로 중계하는 협업 프로토콜을 도입한다.
• 중계 및 직접 전송을 위한 시간 할당(τ₀, τ₁, τ₂₁, τ₂₂)과 전력 할당(t₂₁, t₂₂)을 공동으로 최적화하여 WSR를 최대화하는 공동 최적화 문제를 제안한다.
• 최적성 조건을 도출하기 위해 카룩-쿤-터커(KKT) 조건을 유도하고, 비볼록 문제를 변수 치환 및 반복적 방법을 통해 해결한다.
• 변수 치환 z₁ = τ₀/τ₁, z₂₁ = ρ₂·t₂₁/τ₂₁, z₂₂ = ρ₂·t₂₂/τ₂₂를 통해 원래 문제를 해석 가능한 형태로 변환하고 최적의 시간 및 전력 할당에 대한 닫힌 형태의 해를 도출한다.
• 상향링크에서의 비트레이트 기여를 모델링하기 위해 함수 f(z) = ln(1+z) - z/(1+z)를 사용하여 최적화의 해석 가능성과 유연성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭 경로 손실로 인해 하향링크 에너지 전송과 상향링크 정보 전송에서 발생하는 이중 근거리-원거리 문제를 사용자 협업이 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 비협업 WPCN 기법 대비 사용자 협업이 가중합산비트레이트(WSR)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 협업 기반 WPCN에서 에너지 전송, 중계, 직접 전송에 대한 최적의 시간 및 전력 할당은 무엇인가?
• RQ4 제안된 기법은 근거리 사용자와 원거리 사용자 간의 도달 가능한 전송률 측면에서 공정성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 제안된 시간 및 전력 할당 전략의 전역 최적성에 대한 분석적 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 사용자 협업 기반 기법은 [6]의 비협업 기반 기준선 대비 더 높은 가중합산비트레이트(WSR)를 달성하며, 특히 원거리 사용자에게 유리하게 작용한다.
• 이 기법은 근거리 사용자와 원거리 사용자 간의 전송률 균형을 효과적으로 조절하여 이중 근거리-원거리 문제로 인한 불공정한 전송률 할당을 감소시킨다.
• KKT 조건을 통해 최적의 시간 및 전력 할당을 유도하였으며, 변수 치환과 함수 f(z)의 단조성 분석을 통해 닫힌 형태의 해를 도출하였다.
• 해결 결과는 근거리 사용자가 원거리 사용자를 보조하기 위해 일부 수확한 에너지와 시간을 활용할 경우 중계 역할이 가장 효과적임을 보여주며, 이는 전체 스펙트럼 효율성 향상에 기여한다.
• 시뮬레이션 결과는 협업 프로토콜이 도달 가능한 전송률 영역을 크게 향상시키고 사용자 성능의 균형을 더 잘 지원함을 확인한다.
• 최적의 시간 할당은 근거리 사용자가 자신의 상향링크 시간의 일부를 중계에 할애하고, 나머지 시간은 자신의 데이터 전송에 사용하며, 이에 따라 전력 할당도 최적화됨을 보여준다.