[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种用于无线能量通信网络（WPCNs）的完全分布式调度协议，可在无集中控制的情况下实现能量与信息传输的协调。通过使用能量请求脉冲（ERBs）和p-坚持CSMA接入机制，该协议在极低信令开销下实现了稳定的吞吐量性能，经由分析建模与仿真验证，其吞吐量最高比理想化的无约束网络低20%——但可在实际能量约束下实现可持续运行。

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.

研究动机与目标

• 为解决大规模、动态的、能量受限设备网络中集中式WPCN调度带来的高信令开销问题。
• 设计一种分布式协议，实现在无全局信道状态信息的情况下，高效联合调度无线能量传输（WET）与信息传输（WIT）。
• 利用能量解耦特性与能量队列模型，分析所提协议的吞吐量性能。
• 通过实际网络参数下的仿真验证分析模型，并揭示与能量无限系统不同的设计洞见。

提出的方法

• 引入能量请求脉冲（ERB）机制，使电池耗尽的设备广播信号，以触发混合接入点（HAP）的WET。
• 当未发送ERB时，采用p-坚持CSMA进行数据传输，实现分布式介质访问。
• 基于能量解耦特性构建能量队列模型，以解析推导吞吐量性能。
• 利用递归方程推导关键性能指标，包括能量传输时隙概率（P_ene）和成功传输时隙概率（P_suc）。
• 将传输概率pt与设备数成比例调整，以在不同网络规模下维持稳定性能。
• 通过使用实际参数的仿真验证分析模型，对比分析结果与仿真结果的P_ene和P_suc。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模、动态网络中，WPCN如何在无集中协调的情况下实现WET与WIT的高效调度？
• RQ2 当设备能量受限时，分布式接入控制对吞吐量性能有何影响？
• RQ3 与能量供应无限的常规CSMA网络相比，分布式WPCN的性能如何？
• RQ4 在具有能量采集能力的分布式WPCN中，使吞吐量最大化的最优传输概率pt是多少？
• RQ5 在所提协议中，设备数WDs如何影响WET需求与整体系统吞吐量？

主要发现

• P_ene与P_suc的分析模型与仿真结果高度吻合，验证了能量队列模型与推导方程的准确性。
• 当pt设置为1/N时，随着设备数N增加，P_ene下降，表明因传输频率降低，对WET的需求减少。
• 当pt按N成比例缩放时，所提协议在不同设备数下均能保持稳定的吞吐量性能。
• WPCN的最大吞吐量出现在pt = 1/56，而能量无限基准系统为pt = 1/44，这是由于高pt导致更高的碰撞率与能量消耗。
• WPCN的吞吐量约为理想无约束情况的80%，但考虑到系统的可持续性与更低的信令开销，该性能损失可接受。