[논문 리뷰] Energy-Efficient SWIPT in IoT Distributed Antenna Systems

Yu‐Wen Huang, Mengyu Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 19.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 IoT 기반 분산 안테나 시스템(DAS)에서 에너지 효율적인 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT) 기법을 제안하며, 분산 안테나 포트의 전송 전력과 IoT 기기에서의 전력 분할 비율을 최적화한다. 단일 IoT 기기의 경우, KKT 조건을 활용해 폐쇄형 최적 해를 유도한다; 다중 기기의 경우, 기준 대비 더 높은 에너지 효율성을 달성하는 부분 최적 반복 알고리즘을 제안한다.

ABSTRACT

The rapid growth of Internet of Things (IoT) dramatically increases power consumption of wireless devices. Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) is a promising solution for sustainable operation of IoT devices. In this paper, we study energy efficiency (EE) in SWIPT-based distributed antenna system (DAS), where power splitting (PS) is applied at IoT devices to coordinate the energy harvesting (EH) and information decoding (ID) processes by varying transmit power of distributed antenna (DA) ports and PS ratios of IoT devices. In the case of single IoT device, we find the optimal closed-form solution by deriving some useful properties based on Karush-Kuhn-Tucker (KKT) conditions and the solution is no need for numerical iterations. For the case of multiple IoT devices, we propose an efficient suboptimal algorithm to solve the EE maximization problem. Simulation results show that the proposed schemes achieve better EE performance compared with other benchmark schemes in both single and multiple IoT devices cases.

연구 동기 및 목표

• 기하급수적인 기기 연결으로 인한 IoT 네트워크의 증가하는 에너지 소비 문제 해결.
• 전송 전력과 전력 분할 비율을 공동 최적화하여 SWIPT 기반 DAS의 에너지 효율(EE) 향상.
• DAS의 짧은 링크 거리 특성을 활용해 SWIPT의 짧은 에너지 전송 범위 문제 해결.
• 단일 및 다중 IoT 기기 시나리오에서 총 전력 소비 대비 총 데이터 전송률로 정의된 시스템 EE 최대화.
• 단일 기기 케이스에서는 수치적 반복이 필요 없는 저복잡도 해법과 다중 기기 케이스에서는 수렴 가능한 부분 최적 알고리즘 개발.

제안 방법

• 전송 전력 및 각 기기의 에너지 수확 제약 조건을 포함한 비볼록 에너지 효율 최대화 문제 수립.
• 단일 IoT 기기의 경우, 카루시-쿤-터커(KKT) 조건을 활용해 반복 계산이 필요 없는 폐쇄형 최적 해 도출.
• 다중 IoT 기기의 경우, 전력 할당과 전력 분할 비율을 번갈아 최적화하는 이중 단계 부분 최적 알고리즘 제안.
• 제약 조건 처리를 위해 라그랑주 이중 분해 기법 사용; 이중 변수는 타원체 방법으로 갱신.
• 주어진 이중 변수 하에서 라그랑주 함수의 편도수를 활용해 최적 전력 및 PS 비율 값 유도.
• 하향 기울기 기반 이중 최적화를 적용하고, 이중 변수 q에 대한 수렴 조건을 점검하여 반복적으로 해 개선.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DAS 내 단일 IoT 기기의 경우, 에너지 효율을 최대화하기 위해 최적의 전력 할당과 전력 분할 비율은 무엇인가?
• RQ2 전송 전력과 PS 비율을 공동 최적화하는 다중 IoT 기기 DAS에서 에너지 효율을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ3 수치적 반복이 필요 없이 단일 기기 케이스에 대해 폐쇄형 해를 도출할 수 있는가?
• RQ4 제안된 다중 기기용 부분 최적 알고리즘은 기준 대비 성능 및 복잡도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 DAS 내 단거리 전송이 IoT 네트워크에서 SWIPT의 타당성과 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 단일 IoT 기기 케이스에서는 KKT 조건을 활용해 반복 수치 계산이 불필요한 폐쇄형 최적 해를 달성한다.
• 제안된 다중 기기용 부분 최적 알고리즘은 전력과 PS 비율을 번갈아 최적화함으로써 수렴성을 확보하며 안정성을 보장한다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 기법은 단일 및 다중 기기 시나리오 모두에서 기준 대비 에너지 효율성이 뛰어나게 성능을 냈다.
• 분산 안테나 간 전력 할당과 IoT 기기에서의 PS 비율을 공동 최적화함으로써 뚜렷한 EE 향상 효과를 달성한다.
• 타원체 방법을 활용한 라그랑주 이중 분해 기법은 효율적인 이중 변수 갱신을 가능하게 하여 최적의 q 값 수렴을 이끌어낸다.
• 유도된 최적 전력 할당 및 PS 비율 식은 해석적으로 검증되었으며 실용적 제약 조건 하에서도 효과적임을 입증하였다.