[論文レビュー] Optimal Resource Allocation in Full-Duplex Wireless-Powered Communication Network

Hyungsik Ju, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、ハイブリッドアクセスポイント（H-AP）が同じ周波数帯でダウンリンクでの無線エネルギー伝送とアップリンクからのユーザーからの情報受信を同時に実行するフルデュプレックス無線駆動通信ネットワーク（FD-WPCN）における最適リソース割り当てフレームワークを提案する。完全および不完全な自己干渉キャンセレーションを想定した時間割り当てとパワー割り当ての共同最適化により、アップリンク伝送の重み付き和レートを最大化する。その結果、FD-WPCNは厳しいピークパワー制約下で半デュプレックスWPCNを上回ることを示し、効果的な干渉キャンセレーションが可能であることが判明した。

ABSTRACT

This paper studies optimal resource allocation in the wireless-powered communication network (WPCN), where one hybrid access-point (H-AP) operating in full-duplex (FD) broadcasts wireless energy to a set of distributed users in the downlink (DL) and at the same time receives independent information from the users via time-division-multiple-access (TDMA) in the uplink (UL). We design an efficient protocol to support simultaneous wireless energy transfer (WET) in the DL and wireless information transmission (WIT) in the UL for the proposed FD-WPCN. We jointly optimize the time allocations to the H-AP for DL WET and different users for UL WIT as well as the transmit power allocations over time at the H-AP to maximize the users' weighted sum-rate of UL information transmission with harvested energy. We consider both the cases with perfect and imperfect self-interference cancellation (SIC) at the H-AP, for which we obtain optimal and suboptimal time and power allocation solutions, respectively. Furthermore, we consider the half-duplex (HD) WPCN as a baseline scheme and derive its optimal resource allocation solution. Simulation results show that the FD-WPCN outperforms HD-WPCN when effective SIC can be implemented and more stringent peak power constraint is applied at the H-AP.

研究の動機と目的

• 無線エネルギー効率の制約を受ける無線ネットワークの課題に対処し、無線エネルギー収集により持続的な運用を可能にする。
• 従来の半デュプレックスWPCNのスペクトル効率とエネルギーのトレードオフの限界を克服するため、アクセスポイントでのフルデュプレックス動作を導入する。
• フルデュプレックスWPCNにおいて、同じ周波数帯でダウンリンクの無線エネルギー伝送とアップリンクの情報伝送を同時に可能にするプロトコルを設計する。
• 収集エネルギー制約下で、アップリンク情報伝送の重み付き和レートを最大化するための時間とパワー割り当てを最適化する。
• 自己干渉キャンセレーションの性能とピークパワー制約の変動に応じて、フルデュプレックスWPCNと半デュプレックスWPCNベースラインの性能を比較する。

提案手法

• H-APが同じ周波数帯で無線エネルギーをブロードキャストし、同時にアップリンク信号を受信するフルデュプレックスWPCNプロトコルを提案する。
• ダウンリンクWETの時間割り当てとアップリンクWITの時間割り当て、および時間ごとのパワー割り当てを最適化するための共同最適化問題を定式化し、重み付き和レートを最大化する。
• 凸最適化技術を用いて、完全な自己干渉キャンセレーション（SIC）下でのリソース割り当て問題を解き、閉形式の解を導出する。
• 不完全なSICの場合、ラグランジュ双対分解とKKT条件を用いた反復最適化により、部分最適な解を提案する。
• 性能比較のため、同様の凸最適化手法を用いて半デュプレックスWPCNベースラインの最適解を導出する。
• 変数変換（例：$ z_i = C_i (P_{\text{avg}} - P_i^{(k-1)} \tau_i)/\tau_i $）を適用してラグランジュ関数を簡略化し、最適な時間およびパワー割り当てを求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 収集エネルギー制約下で、フルデュプレックスWPCNにおいて時間とパワーをどのように共同割り当てすれば、アップリンクの重み付き和レートを最大化できるか？
• RQ2 スペクトル効率と和レートの観点から、フルデュプレックス動作は半デュプレックスWPCNに比べてどの程度の性能向上をもたらすか？
• RQ3 自己干渉キャンセレーションの効果が、FD-WPCNの性能向上に与える影響は何か？
• RQ4 H-APがピークパワー制約と不完全なSICの下で動作する場合、最適な時間割り当てポリシーは何か？
• RQ5 重み付き和レートの観点で、FD-WPCNがHD-WPCNを上回る条件は何か？

主な発見

• 効果的な自己干渉キャンセレーションが実装された場合、FD-WPCNはHD-WPCNよりも高い重み付き和レートを達成する。
• 厳しいピークパワー制約下では、FD-WPCNはスペクトル効率とエネルギー利用効率の向上により、HD-WPCNを顕著に上回る。
• 完全なSICの場合、凸最適化とKKT条件を用いて、時間とパワー割り当ての閉形式最適解を導出できた。
• 不完全なSICの場合、双対問題を解く反復的アルゴリズムが提案され、近似的に最適な解に収束することが確認された。
• ダウンリンクWETの最適時間割り当ては $ \tau_0^* = \min\left(1, \frac{P_{\text{avg}}}{P_{\text{peak}}}\right) $ であり、パワー制約の順守を保証する。
• 最適パワー割り当ては、$ \tau_0^* < \frac{P_{\text{avg}}}{P_{\text{peak}}} $ の場合 $ P^* = P_{\text{peak}} $ となり、それ以外の場合は平均パワー制約を満たすために $ P^* = \frac{P_{\text{avg}}}{\tau_0^*} $ となる。