[논문 리뷰] Wireless Power Meets Energy Harvesting: A Joint Energy Allocation Approach

Xun Zhou, Chin Keong Ho외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 06.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 OFDM 기반 무선 전력 공급 통신 네트워크에서 사용자가 접근점으로부터 에너지를 수확하여 목적지로 데이터를 전송하는 데 있어, 시간 및 서브대역 할당과 전력 할당 전략을 통합적으로 제안한다. 완전한 또는 인과적 CSI를 활용하여 오프라인 및 온라인 최적화 알고리즘을 통해 목적지에서의 데이터 전송률을 최대화하며, 기존의 전략들에 비해 뚜렷한 전송률 향상을 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)-based wireless powered communication system, where one user harvests energy from an energy access point (EAP) to power its information transmission to a data access point (DAP). The channels from the EAP to the user, i.e., the wireless energy transfer (WET) link, and from the user to the DAP, i.e., the wireless information transfer (WIT) link, vary over both time slots and sub-channels (SCs) in general. To avoid interference at DAP, WET and WIT are scheduled over orthogonal SCs at any slot. Our objective is to maximize the achievable rate at the DAP by jointly optimizing the SC allocation over time and the power allocation over time and SCs for both WET and WIT links. Assuming availability of full channel state information (CSI), the structural results for the optimal SC/power allocation are obtained and an offline algorithm is proposed to solve the problem. Furthermore, we propose a low-complexity online algorithm when causal CSI is available.

연구 동기 및 목표

• OFDM를 사용하는 무선 전력 공급 통신 시스템에서 데이터 접근점(DAP)에서의 이행 가능한 전송률을 최대화하기 위해.
• 에너지 전송(WET) 및 정보 전송(WIT) 링크에서 시간에 따라 변화하고 주파수 선택성이 있는 채널에 대응하기 위해.
• WET 및 WIT 링크에 대해 시간에 따른 서브대역 할당과 시간 슬롯 및 서브대역 간 전력 할당을 통합 최적화하기 위해.
• 완전한 채널 상태 정보(CSI) 하에서 오프라인 알고리즘과 인과적 CSI 하에서 저복잡도 온라인 알고리즘을 개발하기 위해.
• 각 시간 슬롯에서 WET과 WIT를 서로 다른 서브대역에 할당하여 DAP에서 간섭을 방지하기 위해.

제안 방법

• DAP의 이행 가능한 전송률을 최대화하기 위해 시간 슬롯과 서브대역 간 서브대역 및 전력 할당의 통합 최적화 문제를 수립한다.
• 완전한 CSI 하에서 최적 해의 구조적 특성을 도출하기 위해 볼록 최적화 기법을 사용한다.
• 유도된 최적성 조건을 활용하여 통합 최적화 문제를 해결하는 오프라인 알고리즘을 제안한다.
• 그리디한 서브대역 할당 및 전력 제어 정책을 사용하여 인과적 CSI에 적응하는 저복잡도 온라인 알고리즘을 설계한다.
• 각 시간 슬롯에서 WET과 WIT 서브대역 간의 직교성을 확보하여 DAP에서의 간섭을 방지한다.
• 서브대역별 채널 이득 하에서 WET 및 WIT 링크에 물결 채우기 유사 전력 할당 원리를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OFDM 기반 무선 전력 공급 통신 시스템에서 데이터 전송률을 최대화하기 위해 서브대역 및 전력 할당을 어떻게 통합 최적화할 수 있는가?
• RQ2 완전한 CSI 하에서 최적의 서브대역 및 전력 할당을 특징짓는 구조적 특성은 무엇인가?
• RQ3 인과적 CSI만 가용할 경우 최적화 문제를 어떻게 효율적으로 해결할 수 있는가?
• RQ4 기존의 정규화 또는 고정 할당 방식에 비해 통합 최적화를 통해 달성 가능한 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 제안된 온라인 알고리즘은 시간에 따라 변화하는 채널 조건 하에서도 높은 데이터 전송률을 유지하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 최적의 서브대역 할당은 채널 이득에 따라 서브대역을 WET 또는 WIT에 할당하며, 카룩-쿤-터커(Karush-Kuhn-Tucker) 조건에서 유도된 임계값 기반 규칙을 따른다.
• 최적의 전력 할당은 서브대역과 시간 슬롯에 걸쳐 물결 채우기 구조를 따르며, 채널 조건이 우수한 서브대역을 우선순위로 할당한다.
• 오프라인 알고리즘은 볼록 리 릴랙세이션과 이중 분해 기법을 활용하여 통합 최적화 문제를 해결함으로써 전역 최적의 전송률을 달성한다.
• 온라인 알고리즘은 훨씬 낮은 복잡도로 근사 최적 성능를 달성하여 실시간 구현에 적합하다.
• 수치 결과는 주파수 선택성 fading 환경에서 기존의 전략들에 비해 통합 최적화가 더 높은 이행 가능한 전송률을 달성함을 보여준다.
• WET 및 WIT 채널이 강한 주파수 선택성과 시간 변화를 보일 경우 성능 향상이 가장 두드러진다.