[論文レビュー] Multiuser Joint Energy-Bandwidth Allocation with Energy Harvesting - Part II: Multiple Broadcast Channels & Proportional Fairness

Zhe Wang, Vaneet Aggarwal+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、複数の直交および非直交ブロードキャストチャネルを介してエネルギー回収を行う複数ユーザー無線ネットワークにおける最適エネルギー帯域幅割り当てアルゴリズムを提案する。反復的分解手法を用いてエネルギーおよび帯域幅のサブ問題に分離することで、O(MK²)の計算量を達成し、重み変換により比例公平性を実現する。エネルギー回収制約下では、非直交ブロードキャストが直交伝送に対して限界的な利得しか得られないことが示された。

ABSTRACT

In this paper, we consider the energy-bandwidth allocation for a network with multiple broadcast channels, where the transmitters access the network orthogonally on the assigned frequency band and each transmitter communicates with multiple receivers orthogonally or non-orthogonally. We assume that the energy harvesting state and channel gain of each transmitter can be predicted for $K$ slots {\em a priori}. To maximize the weighted throughput, we formulate an optimization problem with $O(MK)$ constraints, where $M$ is the number of the receivers, and decompose it into the energy and bandwidth allocation subproblems. In order to use the iterative algorithm proposed in [1] to solve the problem, we propose efficient algorithms to solve the two subproblems, so that the optimal energy-bandwidth allocation can be obtained with an overall complexity of ${\cal O}(MK^2)$, even though the problem is non-convex when the broadcast channel is non-orthogonal. For the orthogonal broadcast channel, we further formulate a proportionally-fair (PF) throughput maximization problem and derive the equivalence conditions such that the optimal solution can be obtained by solving a weighted throughput maximization problem. Further, the algorithm to obtain the proper weights is proposed. Simulation results show that the proposed algorithm can make efficient use of the harvested energy and the available bandwidth, and achieve significantly better performance than some heuristic policies for energy and bandwidth allocation. Moreover, it is seen that with energy-harvesting transmitters, non-orthogonal broadcast offers limited gain over orthogonal broadcast.

研究の動機と目的

• 複数のエネルギー回収型送信機が直交および非直交ブロードキャストチャネルを介して複数の受信機と通信する状況において、最適な連携エネルギー帯域幅割り当て戦略を設計すること。
• 非凸性を示す連携最適化問題に対処するため、それを取り扱いやすいエネルギーおよび帯域幅のサブ問題に分解すること。
• 導出された最適重みを用いた重み付きスループット最大化問題に変換することで、スループットにおける比例公平性を実現すること。
• エネルギー回収制約下で、非直交ブロードキャストが直交伝送に対してどれほど高い性能を示すかを実証すること。

提案手法

• 予測されたエネルギー回収状態およびチャネル状態のもとで、複数のブロードキャストチャネルにおけるO(MK)制約を有する連携エネルギー帯域幅割り当て問題を定式化する。
• 先行研究の反復的アルゴリズムを用いて、問題をエネルギー割り当ておよび帯域幅割り当てのサブ問題に分解する。
• 非直交ブロードキャストに対しても、O(MK²)の合計計算量を達成する効率的アルゴリズムを設計し、両サブ問題を解く。
• 比例公平性のため、PF問題を重み付きスループット最大化問題に変換するための同値条件を導出する。
• 比例公平スループットを達成するための適切な重みを計算するアルゴリズムを提案する。
• ヒューリスティック方策および凸ソルバーとの比較によるシミュレーションにより、手法の有効性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非凸問題であるにもかかわらず、エネルギー回収型マルチユーザー・マルチブロードキャストチャネルネットワークにおいて、最適なエネルギー帯域幅割り当てを達成できるか？
• RQ2 直交および非直交ブロードキャスト環境下で、連携エネルギーおよび帯域幅割り当て問題を最適に分解・解く方法は何か？
• RQ3 限られたバッテリ容量と時間変動するチャネルを有するエネルギー回収ネットワークで、どのようにして比例公平性を達成できるか？
• RQ4 エネルギー回収制約下で、非直交ブロードキャストは直交ブロードキャストに対してどれほど性能向上をもたらすか？
• RQ5 比例公平性問題を、計算可能な重みを有する重み付きスループット最大化問題に同値に変換できるか？

主な発見

• 提案アルゴリズムは、一般の凸ソルバーと同等の性能を達成しており、最適性が裏付けられ、また、グリーディおよび従来のPFスケジューリングといったヒューリスティック方策よりも顕著に優れた性能を示した。
• 近似的なPF重みで初期化した場合、収束が速く、K=20スロットの場合、約10イテレーションでほぼ最適性能に到達した。
• エネルギー回収ネットワークでは、エネルギーの過剰供給および公平性制約のため、非直交ブロードキャストが直交伝送に対して僅かなスループット向上しか得られない。
• 従来のPFポリシーは、エネルギーの可用性およびバッテリ制約を考慮していないため、エネルギー回収型送信機に対しては非効率である。
• 提案された重み計算アルゴリズムにより、PF問題を重み付き和スループット最大化問題に変換し、正確な比例公平スループット最大化を実現した。
• 全体のアルゴリズムはO(MK²)の計算量を達成しており、マルチユーザー・エネルギー回収ネットワークにおける実用的導入に適したスケーラブルかつ効率的な性能を有する。