[論文レビュー] Multi-Antenna Wireless Powered Communication with Energy Beamforming

Liang Liu, Rui Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、アンテナを複数備えたアクセスポイント（AP）が、エネルギービームフォーミングを用いて無線パワーを供給し、単一アンテナユーザーからの上行リンク情報伝送を可能にする、マルチアンテナ無線駆動通信ネットワーク（WPCN）の共同最適化フレームワークを提案する。時間割り当て、エネルギービームフォーミング、および上行リンク送信／受信ビームフォーミングを共同で最適化することで、スペクトル半径最小化の再定式化と交互最適化を用い、非凸制約下でも最小ユーザースループットを最大化し、最適な公平性と性能を達成する。

ABSTRACT

The newly emerging wireless powered communication networks (WPCNs) have recently drawn significant attention, where radio signals are used to power wireless terminals for information transmission. In this paper, we study a WPCN where one multi-antenna access point (AP) coordinates energy transfer and information transfer to/from a set of single-antenna users. A harvest-then-transmit protocol is assumed where the AP first broadcasts wireless power to all users via energy beamforming in the downlink (DL), and then the users send their independent information to the AP simultaneously in the uplink (UL) using their harvested energy. To optimize the users' throughput and yet guarantee their rate fairness, we maximize the minimum throughput among all users by a joint design of the DL-UL time allocation, the DL energy beamforming, and the UL transmit power allocation plus receive beamforming. We solve this non-convex problem optimally by two steps. First, we fix the DL-UL time allocation and obtain the optimal DL energy beamforming, UL power allocation and receive beamforming to maximize the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) of all users. This problem is shown to be in general non-convex; however, we convert it equivalently to a spectral radius minimization problem, which can be solved efficiently by applying the alternating optimization based on the non-negative matrix theory. Then, the optimal time allocation is found by a one-dimension search to maximize the minimum rate of all users. Furthermore, two suboptimal designs of lower complexity are proposed, and their throughput performance is compared against that of the optimal solution.

研究の動機と目的

• マルチアンテナアクセスポイントを備えた無線駆動通信ネットワーク（WPCN）における公平性とスペクトル効率の課題に対処すること。
• 下行リンクの時間割り当て、エネルギービームフォーミング、および上行リンク送信／受信ビームフォーミングを共同最適化し、最小ユーザースループットを最大化すること。
• 遠距離ユーザーが下りリンクのエネルギー供給が低く、上りリンクの経路損失が大きいという二重の近端・遠端効果（doubly near-far effect）に起因する問題を克服すること。
• 等価な再定式化と反復最適化技術を用いて、非凸問題に対するグローバル最適解を導出すること。

提案手法

• システムは、時間分割多重（TDD）方式を採用した「収集してから送信する」プロトコルを採用：まず、マルチアンテナAPがユーザーにエネルギーをビームフォーミングし、次にユーザーは回収したエネルギーを用いて上行リンクデータを送信する。
• 時間割り当て、エネルギービームフォーミング、および上行リンク送信／受信ビームフォーミングの共同最適化を、最小ユーザーレートを最大化する非凸問題として定式化する。
• 時間割り当てを固定した場合、問題は非負行列のスペクトル半径最小化問題に再定式化され、非負行列理論に基づく交互最適化によりグローバル最適化が可能になる。
• 最小ユーザーレートを最大化するための最適時間割り当ては、妥当な時間区間における1次元探索により特定される。
• SINR最大化とスペクトル半径最小化の等価性を活用することで、与えられた制約下でグローバル最適解への収束が保証される。
• 計算負荷を低減しつつ公平性を維持する2種類の低複雑度な準最適設計が提案されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチアンテナWPCNにおいて、エネルギービームフォーミングと上行リンクリソース割り当てをどのように共同最適化すれば、公平性を最大化できるか？
• RQ2 下りリンクのエネルギー伝送と上りリンクの情報伝送の間で、最小ユーザースループットを最大化する最適な時間割り当ては何か？
• RQ3 非凸なビームフォーミングとパワー制御の共同最適化問題は、グローバルに解けるか？ もしそうなら、その方法は何か？
• RQ4 提案手法は、WPCNにおける二重の近端・遠端効果をどのように緩和するか？
• RQ5 公平性とスペクトル効率の観点から、最適解と準最適設計との間の性能ギャップはどの程度か？

主な発見

• 本手法は、非負行列のスペクトル半径最小化問題に再定式化することで、時間割り当て、エネルギービームフォーミング、および上行リンクビームフォーミングの共同設計に対してグローバル最適性を達成する。
• 非負行列理論に基づく交互最適化により、与えられた制約下でグローバル最適解への収束が保証される。
• ビームフォーミングとパワー割り当てを共同最適化することで、ユーザーの距離にかかわらず公平なスループットが確保され、二重の近端・遠端効果が効果的に緩和される。
• 最適時間割り当ては1次元探索により特定され、下りリンクのエネルギー伝送と上りリンクの情報伝送のバランスを効率的にとる。
• 準最適設計は、著しく低い複雑度でほぼ最適性能を達成し、実用的導入に適している。
• 理論的分析により、解が可能な最小ユーザーレートを最大限に達成することが証明され、その公平性と最適性が裏付けられる。