[論文レビュー] Distributed Scheduling in Wireless Powered Communication Network: Protocol Design and Performance Analysis

Suzhi Bi, Ying Jun+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、中央集権的制御なしにエネルギー伝送と情報伝送の調整を可能にする、完全に分散型のスケジューリングプロトコルを、無線駆動通信ネットワーク（WPCNs）に対して提案する。エネルギー要求バズ（ERBs）とp-パラレルCSMAアクセスを用いることで、最小限のシグナリングオーバーヘッドで安定したスループット性能を達成し、解析的モデリングとシミュレーションにより検証された。これは、理想化された制約なしのネットワークと比較して最大20％低いスループットを示すが、現実的なエネルギー制約下でも持続可能な運用が可能である。

ABSTRACT

Wireless powered communication network (WPCN) is a novel networking paradigm that uses radio frequency (RF) wireless energy transfer (WET) technology to power the information transmissions of wireless devices (WDs). When energy and information are transferred in the same frequency band, a major design issue is transmission scheduling to avoid interference and achieve high communication performance. Commonly used centralized scheduling methods in WPCN may result in high control signaling overhead and thus are not suitable for wireless networks constituting a large number of WDs with random locations and dynamic operations. To tackle this issue, we propose in this paper a distributed scheduling protocol for energy and information transmissions in WPCN. Specifically, we allow a WD that is about to deplete its battery to broadcast an energy request buzz (ERB), which triggers WET from its associated hybrid access point (HAP) to recharge the battery. If no ERB is sent, the WDs contend to transmit data to the HAP using the conventional $p$-persistent CSMA (carrier sensing multiple access). In particular, we propose an energy queueing model based on an energy decoupling property to derive the throughput performance. Our analysis is verified through simulations under practical network parameters, which demonstrate good throughput performance of the distributed scheduling protocol and reveal some interesting design insights that are different from conventional contention-based communication network assuming the WDs are powered with unlimited energy supplies.

研究の動機と目的

• 大規模で動的なエネルギー制限付きデバイスのネットワークにおける、中央集権的WPCNスケジューリングの高いシグナリングオーバーヘッドを解消すること。
• グローバルなチャネル状態情報がなくても、無線エネルギー伝送（WET）と情報伝送（WIT）の効率的かつ統合的なスケジューリングを可能にする分散型プロトコルを設計すること。
• エネルギー分離特性とエネルギーキューイングモデルを用いて、提案プロトコルのスループット性能を分析すること。
• 実際のネットワークパrameterを用いたシミュレーションにより解析モデルを検証し、エネルギー無制限系とは異なる設計インサイトを明らかにすること。

提案手法

• バッテリが消耗しつつあるデバイスが、ハイブリッドアクセスポイント（HAP）からのWETを引き起こすためにブロードキャストするエネルギー要求バズ（ERB）メカニズムを導入する。
• ERBが送信されていない場合には、p-パラレルCSMAを用いてデータ伝送を実施し、分散型のメディアアクセスを実現する。
• エネルギー分離特性に基づくエネルギーキューイングモデルを構築し、スループット性能を解析的に導出する。
• 再帰的方程式を用いて、エネルギー伝送スロットの確率（P_ene）と成功伝送スロットの確率（P_suc）といった主要な性能指標を導出する。
• ネットワークサイズの変動に応じて安定した性能を維持するため、送信確率ptをWD数に比例して調整する。
• 実際のパrameterを用いたシミュレーションにより、解析モデルを検証し、P_eneとP_sucの解析的結果とシミュレーション結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模で動的なネットワークにおいて、中央集権的制御なしにWPCNがWETとWITの効率的スケジューリングをどのように達成できるか。
• RQ2 エネルギー制限付きのデバイスにおいて、分散型アクセス制御がスループット性能に与える影響は何か。
• RQ3 エネルギー無制限の供給がある従来のCSMAネットワークと比較して、分散型WPCNの性能はどのように異なるか。
• RQ4 エネルギー回収を伴う分散型WPCNにおいて、スループットを最大化する最適な送信確率ptは何か。
• RQ5 WD数の増加が、WETの必要性と全体のシステムスループットに与える影響は何か。

主な発見

• P_eneとP_sucの解析的モデルはシミュレーション結果とよく一致しており、エネルギーキューイングモデルと導出式の正確性が裏付けられた。
• ptを1/Nに設定した場合、WD数Nの増加に伴いP_eneが低下し、伝送頻度の低下に伴いWETの必要性が減少することが示された。
• ptをNに比例してスケーリングすることで、WD数の変動にかかわらず、提案プロトコルは安定したスループット性能を維持した。
• WPCNにおける最大スループットはpt = 1/56で達成されたが、エネルギー無制限のベンチマークではpt = 1/44が最適であった。これは、ptが高くなると衝突とエネルギー消費が増加するためである。
• WPCNにおけるスループットは、理想化された制約なしのケースと比較して約20％低いが、持続可能性と低シグナリングオーバーヘッドを考慮すると、この性能の損失は許容可能である。