[논문 리뷰] Wireless Powered Communications with Finite Battery and Finite Blocklength

Onel L. Alcaraz López, Evelio Fernández외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 25.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 62인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 유한한 블록길이 및 유한한 배터리 용량 조건 하에서 무선 전력 공급 통신 네트워크를 조사하며, 오류 확률과 에너지 효율성을 크게 향상시키는 전력 제어 프로토콜을 제안한다. 나카가미-m fading 하에서 에너지 축적 모델링과 전송 전략 최적화를 통해 고유한 최적 오류 확률을 도출하고, 작은 배터리 용량이 특히 에너지 축적 시에 성능을 제한할 수 있음을 밝혀낸다.

ABSTRACT

We analyze a wireless communication system with finite block length and finite battery energy, under quasi-static Nakagami-m fading. Wireless energy transfer is carried out in the downlink while information transfer occurs in the uplink. Transmission strategies for scenarios with/without energy accumulation between transmission rounds are characterized in terms of error probability and energy consumption. A power control protocol for the energy accumulation scenario is proposed and results show the enormous impact on improving the system performance, in terms of error probability and energy consumption. The numerical results corroborate the existence and uniqueness of an optimum target error probability, while showing that a relatively small battery could be a limiting factor for some setups, specially when using the energy accumulation strategy.

연구 동기 및 목표

• 유한한 블록길이 및 유한한 배터리 용량이라는 현실적인 제약 조건 하에서 무선 전력 공급 통신 네트워크의 성능을 분석하기 위해.
• 정적 나카가미-m fading 채널에서 전송 라운드 간 에너지 축적이 오류 확률과 에너지 소비에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 이러한 유한한 제약 조건 하에서 시스템 성능을 최적화하는 전력 제어 프로토콜을 설계하고 평가하기 위해.
• 제안된 시스템 모델 하에서 최적의 목표 오류 확률이 존재하는지 확인하기 위해.
• 특히 에너지 축적 전략을 사용할 경우, 작은 배터리 크기가 성능에 미치는 제약을 규명하기 위해.

제안 방법

• 정적 나카가미-m fading 하에서 하향링크 무선 전력 전송과 상향링크 정보 전송을 수행하는 이중 단계 시스템을 모델링한다.
• 에너지 축적 상황에 맞추어 설계된 전력 제어 프로토콜을 도입하여, 수확한 에너지와 채널 상태에 기반해 동적으로 전송 전력을 조정한다.
• 유한한 블록길이 정보이론을 사용하여 주어진 블록길이와 목표 오류 확률 하에서 도달 가능한 최대 전송률을 특성화하며, 샤논 용량 가정을 대체한다.
• 불완전 감마 함수와 통계적 채널 모델을 사용하여 탈락 확률과 평균 전력 소비에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 최대 5×10⁷개의 채널 실현값을 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 오류 확률의 이阶도수를 추정하고 오류 성능 곡선의 볼록성을 검증한다.
• 배터리 크기, 블록길이, 흩어짐 심도(m), 에너지 수확 효율성 등의 시스템 파라미터를 고려하여 상호 간의 성능 트레이드오프를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 블록길이 및 유한한 배터리 조건을 가진 무선 전력 공급 통신 시스템에서 고유한 최적 목표 오류 확률이 존재하는가?
• RQ2 전송 라운드 간 에너지 축적이 유한한 배터리 시스템에서 오류 확률과 에너지 소비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 작은 배터리 용량이 에너지 축적 전략을 사용할 경우 성능에 얼마나 큰 제약을 가하는가?
• RQ4 다양한 블록길이, 흩어짐 심도(m), 에너지 수확 파라미터에 따라 시스템 성능은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 유한한 자원 제약 조건 하에서 오류 확률과 에너지 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 전력 제어 프로토콜을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 테스트 파라미터 조합에서 오류 확률 함수의 볼록성이 확인되어 고유한 최적 목표 오류 확률이 존재함을 입증하였다.
• 제안된 전력 제어 프로토콜은 특히 에너지 축적 시나리오에서 오류 확률과 에너지 소비를 크게 향상시켰다.
• 상대적으로 작은 10⁻⁷ J의 배터리 용량조차도 에너지 축적을 사용할 경우 성능 제약 요소가 될 수 있음을 확인하였다.
• 수치적 결과는 모든 테스트 설정에서 오류 확률 함수의 이阶도수가 항상 비음수가 유지됨을 보여주며, 오류 성능 곡선의 볼록성을 확인하였다.
• 평균 전력 소비는 불완전 감마 함수를 사용하여 해석적으로 유도되었으며, 이는 유한한 배터리 및 블록길이 제약 조건 하에서 정확한 성능 평가를 가능하게 하였다.
• 에너지 수확 효율성, 경로 손실, 블록길이 등의 시스템 파라미터는 Λ와 Υ 파라미터를 통해 효과적으로 모델링 가능하여, 탄력적인 성능 분석이 가능해졌다.