[论文解读] Optimal Transmission Policies for Energy Harvesting Two-hop Networks

Oner Orhan, Elza Erkip|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2012

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 9被引用 12

一句话总结

本文提出了一种针对具有非因果能量获取信息的半双工中继两跳能量采集网络的最优传输策略。通过利用非因果能量知识和凹率-功率函数，推导出在能量与数据因果性约束下实现端到端数据传输最大化的最优功率分配与调度方案，在仿真中显著优于简单时隙化策略的吞吐量表现。

ABSTRACT

In this paper, a two-hop communication system with energy harvesting nodes is considered. Unlike battery powered wireless nodes, both the source and the relay are able to harvest energy from environment during communication, therefore, both data and energy causality over the two hops need to be considered. Assuming both nodes know the harvested energies in advance, properties of optimal transmission policies to maximize the delivered data by a given deadline are identified. Using these properties, optimal power allocation and transmission schedule for the case in which both nodes harvest two energy packets is developed.

研究动机与目标

• 在能量与数据因果性约束下，最大化两跳能量采集网络中端到端的数据传输量，该网络采用半双工中继。
• 当源节点与中继节点均具有未来能量到达的非因果知识时，设计最优传输策略。
• 识别多能量到达场景下最优策略的结构性特征。
• 推导出源与中继节点各发生两次能量到达情况下的闭式解。
• 通过基于香农容量的速率函数进行仿真，评估性能增益。

提出的方法

• 构建一个两跳网络，其中源节点与半双工中继节点均具备无限电池与数据缓冲区。
• 假设对能量采集曲线具有非因果知识，并采用严格凹且单调递增的功率-速率函数 g(p) 表示传输速率。
• 利用拉格朗日松弛与KKT条件推导最优性必要条件，识别出最优功率分配在时间区间内为常数。
• 根据源与中继节点的能量到达时间与能量水平，将最优策略划分为四个区域，具体取决于数据因果性或能量因果性是否为紧约束。
• 通过划分时间区间，分别求解各时间段内的最优传输时长与功率水平，以解决优化问题。
• 通过优化问题的几何解释，确定源与中继节点能量状态的角点可行区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有非因果能量知识的两跳能量采集网络中，最优传输策略的结构性特征是什么？
• RQ2 当源与中继节点均经历多次能量到达时，应如何在源与中继之间分配功率与传输时间？
• RQ3 在能量与数据因果性约束下，何种条件决定源节点或中继节点成为数据传输的瓶颈？
• RQ4 能量到达的时间与幅度如何影响最优调度与功率分配？
• RQ5 与简单时隙化传输相比，采用最优策略可实现多大的性能增益？

主要发现

• 最优策略实现的吞吐量高于时隙化方案，在不同能量到达速率下仿真结果均显示出显著增益。
• 当源与中继节点各发生两次能量到达时，最优策略通过求解一个基于能量与时间参数的四类运行区域的约束优化问题，可被完全表征。
• 最优传输调度涉及在连续时间区间内保持恒定功率分配，并根据能量可用性与因果性约束在源与中继之间切换传输。
• 当能量到达在时间上分布不均时，性能增益最为显著，因为最优策略能够自适应地利用有利的能量与信道条件。
• 两次能量到达的解为推广至多到达情况奠定了基础，本文指出此类推广将在未来工作中进一步探讨。
• 数值结果表明，最优策略始终优于简单的两时隙时隙化策略，尤其在能量采集较晚或数量不均时表现更优。