[論文レビュー] CoMP Meets Energy Harvesting: A New Communication and Energy Cooperation Paradigm

Jie Xu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、複数のアンテナを備えた基地局（BS）が再生可能エネルギー源を備え、スマートグリッドを介して動的にエネルギーを共有することで、重み付き和スループットを最大化する、CoMPシステムにおける連携通信およびエネルギー協力パラダイムを提案する。実用的な損失比を考慮した送信電力とエネルギー交換の共同最適化により、エネルギー協力や通信協力なしの従来のCoMP設計よりも優れた性能を発揮し、ダウンリンクスループットを顕著に向上させる。

ABSTRACT

In this paper, we pursue a unified study on smart grid and coordinated multi-point (CoMP) enabled wireless communication by investigating a new joint communication and energy cooperation approach. We consider a practical CoMP system with clustered multiple-antenna base stations (BSs) cooperatively communicating with multiple single-antenna mobile terminals (MTs), where each BS is equipped with local renewable energy generators to supply power and also a smart meter to enable two-way energy flow with the grid. We propose a new energy cooperation paradigm, where a group of BSs dynamically share their renewable energy for more efficient operation via locally injecting/drawing power to/from an aggregator with a zero effective sum-energy exchanged. Under this new energy cooperation model, we consider the downlink transmission in one CoMP cluster with cooperative zero-forcing (ZF) based precoding at the BSs. We maximize the weighted sum-rate for all MTs by jointly optimizing the transmit power allocations at cooperative BSs and their exchanged energy amounts subject to a new type of power constraints featuring energy cooperation among BSs with practical loss ratios. Our new setup with BSs' energy cooperation generalizes the conventional CoMP transmit optimization under BSs' sum-power or individual-power constraints. Finally, we validate our results by simulations under various practical setups, and show that the proposed joint communication and energy cooperation scheme substantially improves the downlink throughput of CoMP systems powered by smart grid and renewable energy, as compared to other suboptimal designs without communication and/or energy cooperation.

研究の動機と目的

• 再生可能エネルギーとスマートグリッドを活用するCoMPシステムにおける、効率的なエネルギーおよびスペクトル資源の活用を課題として取り上げる。
• 合計電力制約または個別電力制約下での従来のCoMP最適化の限界を克服するため、BS間での動的エネルギー協力を導入することを目的とする。
• 再生可能エネルギー源を有するCoMPクラスタにおいて、ダウンリンク伝送とエネルギー交換を統合的に最適化するフレームワークを構築することを目的とする。
• 現実的な損失比を考慮したエネルギー転送をモデル化するとともに、局所的協力によりグリッドとのネットエネルギー交換をゼロに保つこと。
• 新たなエネルギー協力制約下で、すべての移動局の重み付き和スループットを最大化すること。

提案手法

• CoMPクラスタ内のBSがアグリゲーターを介して局所的にエネルギーを交換することで、グリッドとの有効な合計エネルギー交換をゼロに抑える、新しいエネルギー協力モデルを導入する。
• クラスタ化された多アンテナBSと単一アンテナ移動局を想定し、干渉抑制に協調ゼロフォーキング（ZF）プレケーディングを用いる。
• エネルギー協力制約（非理想的なエネルギー転送効率を含む）の下で、送信電力割り当てとBS間エネルギー交換を共同最適化する。
• 動的エネルギー共有を組み込んだことで、従来の合計電力制約および個別電力制約を一般化する新たな電力制約クラスを導出する。
• 凸最適化技術を用いて共同問題を解き、実用的なエネルギー損失比下でも収束性と実装可能性を保証する。
• スマートメーターを活用した二方向エネルギーフロー機構を採用し、BSがグリッド依存を伴わず、局所的に電力を供給または受電可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CoMP基地局間のエネルギー協力は、再生可能エネルギー駆動の無線ネットワークにおけるスペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ2 現実的なエネルギー転送損失を考慮した場合、送信電力とBS間エネルギー交換の最適な共同割り当ては何か？
• RQ3 提案されたエネルギー協力モデルは、合計電力制約または個別電力制約下での従来のCoMP最適化と比べて、どのように異なるか？
• RQ4 通信とエネルギーの協力の統合は、再生可能エネルギー源を有するCoMPシステムのダウンリンクスループットをどの程度向上させるか？
• RQ5 通信協力やエネルギー協力なしの準最適設計と比較して、提案手法はどの程度の性能向上を達成するか？

主な発見

• 提案された連携通信およびエネルギー協力方式は、合計電力制約または個別電力制約下での従来のCoMPシステムと比較して、顕著に高いダウンリンク重み付き和スループットを達成する。
• エネルギー協力により再生可能エネルギーの効率的利用が可能になり、グリッド依存度が低下する一方で、スペクトル効率は維持または向上する。
• 通信協力またはエネルギー協力のいずれかを欠いた準最適設計よりも高いスループットを達成しており、両分野の相乗効果を実証する。
• 最適化フレームワークは実用的なエネルギー転送損失を適切に処理でき、実世界の展開においても頑健性と実現可能性を確保する。
• シミュレーション結果により、提案モデルが現実的なエネルギー協力制約下で、既存のCoMP電力割当戦略を一般化し、それを凌駆する性能を示していることが検証された。
• 有効合計エネルギー交換ゼロのモデルにより、BS間のエネルギー余剰と不足をバランスさせることで、持続可能な運用が可能になる。