[論文レビュー] Wireless Information and Power Transfer in Multiuser OFDM Systems

Xun Zhou, Rui Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、時間スイッチング（TS）を用いたTDMAまたは周波数分割多重（OFDMA）におけるパワー スプリッティング（PS）を用いて、同時無線情報および電力伝送（SWIPT）をサポートする下り行方向マルチユーザーOFDMシステムにおける最適リソース割り当てを提案する。主な貢献は、個々のエネルギー回収および電力制約下で重み付き和レートを最大化する凸最適化フレームワークであり、高いエネルギー要求が求められる状況ではPSがTSを上回ることを示している。

ABSTRACT

In this paper, we study the optimal design for simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in downlink multiuser orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems. For information transmission, we consider two types of multiple access schemes, namely, time division multiple access (TDMA) and orthogonal frequency division multiple access (OFDMA). At the receiver side, due to the practical limitation that circuits for harvesting energy from radio signals are not yet able to decode the carried information directly, each user applies either time switching (TS) or power splitting (PS) to coordinate the energy harvesting (EH) and information decoding (ID) processes. For the TDMA-based information transmission, we employ TS at the receivers; for the OFDMA-based information transmission, we employ PS at the receivers. Under the above two scenarios, we address the problem of maximizing the weighted sum-rate over all users by varying the time/frequency power allocation and either TS or PS ratio, subject to a minimum harvested energy constraint on each user as well as a peak and/or total transmission power constraint. For the TS scheme, by an appropriate variable transformation the problem is reformulated as a convex problem, for which the optimal power allocation and TS ratio are obtained by the Lagrange duality method. For the PS scheme, we propose an iterative algorithm to optimize the power allocation, subcarrier (SC) allocation and the PS ratio for each user. The performances of the two schemes are compared numerically as well as analytically for the special case of single-user setup. It is revealed that the peak power constraint imposed on each OFDM SC as well as the number of users in the system play a key role in the rate-energy performance comparison by the two proposed schemes.

研究の動機と目的

• 同時情報およびエネルギー伝送をサポートするマルチユーザーOFDMシステムにおける最適な電力および時間/周波数リソース割り当ての設計。
• 情報レートの最大化と各ユーザーの最小回収エネルギーを確保するというトレードオフの解消。
• SWIPTシステムにおけるTDMAにおける時間スイッチング（TS）とOFDMAにおけるパワー スプリッティング（PS）の性能比較。
• ピークおよび合計電力制約、個々のエネルギー回収要件下での凸最適化ソリューションの導出。
• サブキャリアあたりのピーク電力およびユーザー数がTSとPS方式のレート-エネルギー性能に与える影響の評価。

提案手法

• 個々の最小エネルギー回収制約および合計/ピーク電力制約下での重み付き和レート最大化問題を定式化。
• TDMA-TS方式の場合、変数変換を用いて問題を凸化し、ラグランジュ双対法を用いて解を得る。
• OFDMA-PS方式の場合、電力割り当て、サブキャリア割り当て、パワー スプリッティング比を同時に最適化する反復的アルゴリズムを提案。
• 対数レート関数の観点から、電力および時間/エネルギー分割変数におけるレート式の共同凹型を証明。
• 部分勾配法および双対性を用いて、凸最適化問題を効率的に解く。
• 単一ユーザーの場合の数値結果および解析的比較を通じて性能を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーおよび電力制約下で、マルチユーザーOFDMシステムにおけるSWIPTの時間スイッチング（TS）とパワー スプリッティング（PS）の性能は、どのように比較されるか？
• RQ2 各ユーザーが最小エネルギー回収要件を満たすことを保証しつつ、重み付き和レートを最大化する最適な電力および時間/周波数リソース割り当て戦略は何か？
• RQ3 サブキャリアあたりのピーク電力制約およびユーザー数は、TSとPS方式間のレート-エネルギートレードオフにどのように影響するか？
• RQ4 TSベースの方式は、従来のTDMAと同等のスペクトル効率を達成しつつ、効果的なエネルギー回収を可能にするか？
• RQ5 チャネル利得やエネルギー回収効率などのシステムパラメータの影響は、最適リソース割り当てにどのように現れるか？

主な発見

• TSベースの方式は、従来のTDMAと同等のスペクトル効率を達成するが、エネルギー回収が可能であるため、低エネルギー要求のシナリオに適している。
• 高いエネルギー回収要件が課される場合、TS方式は専用のエネルギー回収スロットのため、レートの著しい劣化を受ける。
• 高いエネルギー要求が求められる状況では、情報受信とエネルギー回収を同時に実行できるため、PSベースの方式が和レートの点でTS方式を上回る。
• サブキャリアあたりのピーク電力制約は、性能比較に顕著な影響を及ぼし、PS方式は厳格なサブキャリアあたり電力制限下でもよりロバストである。
• システム内のユーザー数は、PSがTSを上回る性能優位性を決定づける重要な要因であり、ユーザーが密集している状況ではPSの利点が顕著に現れる。
• 提案された凸最適化フレームワークにより、最適な電力および分割比の計算が効率的に行えるようになり、反復的アルゴリズムによって収束が保証される。