In this paper, we develop an energy efficiency maximization algorithm to improve the power saving of mobile users in the uplink channel of cellular system. We focus on the situation in which the mobile station transmits the data to base station. To optimize the energy efficiency of mobile station, we allocate the transmission power and data rate depending on channel information. Two communication scenarios are considered in this paper. First scenario assumes the perfect channel state information system and second one assumes the imperfect channel state information system.
In the perfect channel state information system, we calculate the achievable data rate using the channel information. Then, the energy efficiency is examined to search the optimal power allocation. The proposed algorithm defines the cutoff slope value which includes the concept of the partial derivatives of data rate with respect to transmission power for simplicity. The adaptive power allocation which meets the maximum energy efficiency is implemented using the optimal cutoff slope value. Also, in the imperfect channel state information system, we consider average throughput instead of the achievable data rate since the achievable data rate can not be calculated correctly. The average throughput includes target data rate and outage probability. The outage probability can be reformulated by channel distribution function form. Then, the maximum energy efficiency is obtained by joint selection of optimal target data rate and transmission power.
To demonstrate the performance of proposed algorithms, we identify the simulation results in single cell communication system. In the perfect channel state information system, we confirmed that energy efficiency of proposed algorithm approaches to that of optimal solution. This fact means that the adaptive power allocation using the cutoff slope value can obtain the effect of energy efficient water-filling scheme solved by optimization problem. Also, in the imperfect channel state information system, the energy efficiency which is close to that of perfect channel state information system is achieved by joint selection of optimal target data rate and transmission power. In addition, we can see that the performance gain with respect to energy efficiency is obtained compared to energy efficient single link adaptation scheme which is a conventional energy efficient method in imperfect channel state information system.
이 논문에서는 통신시에 단말의 전력효율을 최대화 하는 알고리즘에 대하여 제안하였다. 단말이 전송자의 역할을 하고, 기지국으으로 정보를 전송할 때, 통신에 사용되는 전력과 전송속도를 상황에 따라 선택하여 단말의 전력효을을 최대화 한다. 고려하는 시나리오는 크게 두가지로 분류할 수 있고 그 시나리오에 따라서 서로 다른 알고리즘이 적용된다. 첫번재 시나리오는 단말에서 정보를 전송시 완벽한 채널상태를 아는 상황에서 정보를 전송하는 시나리오이고, 두번째 환경은 단말이 채널의 확률분포만을 알고 있는 상황이다.
첫번째 시나리오에서는 채널정보를 이용하여 기대할수 있는 최대 전송속도를 계산할수 있기 때문에 이를 이용하여 전력효율을 최대화 하는 전력를 선택 할 수 있었다. 이때 문제의 복잡도를 줄이기 위하여 전력과 컷오프 기울기를 정의하고 전력효율을 최대화 하는 컷오프 기울기 값을 찾는다. 그 다음에 최적의 컷오프 기울기값을 이용하여 전력을 선택하고 최적의 전력효율를 얻는다. 두번째 시나리오는 단말이 채널의 확률분포만을 아는 상황에서 정보를 전송하는 상황이다. 이때는 최대 전송속도를 계산 할 수 없기 때문에, 채널의 확률분포를 이용하여 평균 성능을 정의하고, 이를 전력효율식에 대입한 후, 전력효율을 최대화 한다. 이때는 최적화 해야하는 변수가 목표 전송속도와 전송전력이 되므로 최적의 목표 전송속도와 전송전력을 찾고 전력효율을 최대화 한다.
위와 같은 제안방안의 성능을 알아보기 위해 시뮬레이션의 결과를 살펴보았다. 완벽한 채널정보를 사용하는 경우에는 기울기를 이용한 전력 선택을 통하여 낮은 복잡도로 최적의 전력효율에 접근하는 것을 확인하였다. 이는 기울기를 이용하여 상황에 맞는 전력을 선택하면 최적으로 전력을 할당 할 수 있음을 알 수 있다. 또한 채널의 확률분포만을 아는 상황에서는, 목표 전송속도와 전송전력을 결정하여 얻은 최대의 전력효율이 완벽한 채널정보를 사용할 때의 전력효율에 접근하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 가지고 있는 채널정보를 최대한 활용하여 전력을 선택하고 최적의 전력효율을 얻었기 때문이다. 또한 다중링크 정보를 고려하기 때문에 하나의 링크만를 고려하는 기존 방안과 비교하여 더 큰 전송효율을 얻을 수 있었다.
