[論文レビュー] Communicating Using an Energy Harvesting Transmitter: Optimum Policies Under Energy Storage Losses

Kaya Tutuncuoglu, Aylin Yener|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2012

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 19被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、エネルギー貯蔵損失を伴うエネルギー効率化送信機における最適なオフラインおよびオンラインの電力割り当て方針を導出し、送信電力が上界および下界の間で収集された電力と一致する二重しきい値方針がスループットを最大化することを示している。バッテリーキャパシティが無限大の場合、しきい値は非減少であるが、有限キャパシティの場合にはバッテリ状態に応じて調整され、提案された定数しきい値のオンライン方針は単純さにもかかわらず近似的に最適な性能を達成する。

ABSTRACT

In this paper, short-term throughput optimal power allocation policies are derived for an energy harvesting transmitter with energy storage losses. In particular, the energy harvesting transmitter is equipped with a battery that loses a fraction of its stored energy. Both single user, i.e. one transmitter-one receiver, and the broadcast channel, i.e., one transmitter-multiple receiver settings are considered, initially with an infinite capacity battery. It is shown that the optimal policies for these models are threshold policies. Specifically, storing energy when harvested power is above an upper threshold, retrieving energy when harvested power is below a lower threshold, and transmitting with the harvested energy in between is shown to maximize the weighted sum-rate. It is observed that the two thresholds are related through the storage efficiency of the battery, and are nondecreasing during the transmission. The results are then extended to the case with finite battery capacity, where it is shown that a similar double-threshold structure arises but the thresholds are no longer monotonic. A dynamic program that yields an optimal online power allocation is derived, and is shown to have a similar double-threshold structure. A simpler online policy is proposed and observed to perform close to the optimal policy.

研究の動機と目的

• 非理想的なエネルギー貯蔵を伴うエネルギー収集送信機におけるエネルギーの効率的利用という課題に対処すること。この場合、充電および放電時にエネルギーが損失する。
• エネルギー貯蔵の非効率性を考慮した場合にスループットを最大化する最適なオフライン電力割り当て方針を導出すること。
• これらの結果を有限キャパシティのバッテリに拡張し、最適性能に近い実用的なオンライン方針を開発すること。
• 貯蔵非効率性が理想バッテリと比較して最適方針の構造を根本的に変化させることを示すこと。これは、区分的定数から二重しきい値構造に移行する。

提案手法

• エネルギー収集トレースを非因果的（非因果的知識あり）に仮定し、動的計画法を用いて単一ユーザーおよびブロードキャストチャネルにおける最適なオフライン方針を導出する。
• 送信電力が二つのしきい値の間で収集電力と一致する二重しきい値構造を特定し、収集電力が上界しきい値を超える場合にのみ貯蔵が行われることを示す。
• 無限大バッテリーキャパシティの場合、しきい値は貯蔵効率と収集プロセスによって関連づけられ、時間とともに非減少であることを確立する。
• 有限キャパシティバッテリへの拡張を試み、しきい値が区分的定数であり、バッテリが満タンまたは空の状態で変化する可能性があることを示す。
• 安定したエネルギーバッファを維持する固定しきい値を持つ単純なオンライン方針を提案し、最適オンライン方針に非常に近い性能を達成することを示す。
• シミュレーションを通じて、提案されたオンライン方針をオフライン最適、ハスティ、および定常電力方針と比較し、さまざまな貯蔵効率下での性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー貯蔵非効率性は、エネルギー収集送信機における最適電力割り当て方針の構造にどのように影響するか？
• RQ2 非理想的なバッテリ貯蔵を伴う単一ユーザーのエネルギー収集リンクにおける最適なオフライン電力方針は何か？
• RQ3 バッテリーキャパシティが有限である場合、最適方針は無限大キャパシティの場合とどのように異なるか？
• RQ4 固定しきい値を持つ単純なオンライン方針は、貯蔵損失が存在する状況でも近似的に最適な性能を達成できるか？
• RQ5 貯蔵効率が変動する条件下で、二重しきい値方針は古典的な区分的定数方針と比較して、性能およびロバストネスの点でどのように異なるか？

主な発見

• 貯蔵損失を伴う無限大バッテリーキャパシティの最適オフライン方針は、二重しきい値構造を示し、二つのしきい値の間で送信電力が収集電力と一致する。
• しきい値は時間とともに非減少であり、貯蔵効率と収集プロセスによって決定され、上界しきい値は常に下界しきい値以上である。
• 有限キャパシティバッテリの場合、二重しきい値構造は維持されるが、しきい値は区分的定数であり、バッテリが満タンまたは空の状態で増加または減少する可能性がある。
• 動的計画法により導出された最適オンライン方針は、現在のバッテリ状態に応じて適応する二重しきい値構造を維持する。
• 提案された定数しきい値オンライン方針は、すべての貯蔵効率レベルで最適オンライン方針の1〜2%以内の性能を達成し、ハスティおよび定常電力方針を上回る。
• ブロードキャストチャネル設定では、同じ二重しきい値方針が重み付き和レートを最大化し、提案されたオンライン方針は最適オフライン境界に非常に近いレート領域を達成する。