[논문 리뷰] Multi-Antenna Wireless Powered Communication with Energy Beamforming

Liang Liu, Rui Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 05.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 14인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 무선 전력 공급 통신 네트워크(WPCN)를 위한 공동 최적화 프레임워크를 제안한다. 이 네트워크에서는 액세스 포인트(AP)가 에너지 빔포밍을 사용하여 무선 전력을 전송하고, 단일 안테나 사용자로부터 업링크 정보 전송을 가능하게 한다. 시간 할당, 에너지 빔포밍, 업링크 전송/수신 빔포밍을 공동으로 최적화함으로써, 스펙트럼 반경 최소화 재구성과 교차 최적화를 통해 비볼록 제약 조건 하에 최소 사용자 스루풋을 최대화함으로써 최적의 공정성과 성능을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다중 안테나 액세스 포인트를 갖는 무선 전력 공급 통신 네트워크(WPCN)에서의 공정성 및 스펙트럼 효율성 문제를 해결하기 위해.
• 다운링크 시간 할당, 에너지 빔포밍, 업링크 전송/수신 빔포밍을 공동으로 최적화하여 최소 사용자 스루풋을 최대화하기 위해.
• 멀리 떨어진 사용자가 다운링크 에너지 수신량이 낮고 업링크 경로 손실이 높아지는 이중 근거리 효과를 해결하기 위해.
• 등가 재구성 및 반복 최적화 기법을 통해 비볼록 문제에 대한 전역 최적 해를 도출하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 시간 분할 이중성(TDD) 방식의 수확-다음 전송 프로토콜을 사용한다: 먼저 다중 안테나 AP가 사용자들에게 에너지를 빔포밍하고, 그 후 사용자들은 수확한 에너지를 사용하여 업링크 데이터를 전송한다.
• 시간 할당, 에너지 빔포밍, 업링크 전력/수신 빔포밍의 공동 최적화는 최소 사용자 데이터율을 최대화하기 위해 비볼록 문제로 재구성된다.
• 고정된 시간 할당 조건 하에서 문제는 비음수 행렬의 스펙트럼 반경 최소화 문제로 재구성되며, 이는 비음수 행렬 이론 기반의 교차 최적화를 통해 전역 최적화를 가능하게 한다.
• 최적의 시간 할당은 타당한 시간 간격 내에서 일변도 검색을 통해 최소 사용자 스루풋을 최대화함으로써 도출된다.
• SINR 최대화와 스펙트럼 반경 최소화 간의 등가성에 기반하여 전역 최적해에 수렴함을 보장한다.
• 계산 복잡도를 줄이면서도 공정성을 유지하는 두 가지 저복잡도 하위 최적 설계를 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 안테나 WPCN에서 에너지 빔포밍과 업링크 자원 할당을 공동으로 최적화하여 공정성을 극대화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 다운링크 에너지 전송과 업링크 정보 전송 간 최적의 시간 할당은 무엇이며, 이를 통해 최소 사용자 스루풋을 최대화할 수 있는가?
• RQ3 비볼록 공동 최적화 문제인 빔포밍 및 전력 제어 문제는 전역적으로 해결될 수 있으며, 만약 가능하면 그 방법은 무엇인가?
• RQ4 제안된 방법은 WPCN에서의 이중 근거리 효과를 어떻게 완화하는가?
• RQ5 공정성 및 스펙트럼 효율성 측면에서 최적 해와 하위 최적 설계 간의 성능 격은 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 방법은 비음수 행렬의 스펙트럼 반경 최소화 문제로 재구성함으로써, 시간 할당, 에너지 빔포밍, 업링크 빔포밍의 공동 설계에 대해 전역 최적성을 달성한다.
• 비음수 행렬 이론 기반의 교차 최적화를 통해 제약 조건 하에 전역 최적해에 수렴함을 보장하며, 이는 해의 수렴성을 보장한다.
• 이중 근거리 효과는 빔포밍과 전력 할당을 공동으로 최적화함으로써 효과적으로 완화되며, 거리에 관계없이 사용자 간 공정한 스루풋을 보장한다.
• 최적의 시간 할당은 일변도 검색을 통해 효율적으로 도출되며, 다운링크 에너지 전송와 업링크 정보 전송 간 균형을 잘 맞춘다.
• 하위 최적 설계는 훨씬 낮은 복잡도로 근사 최적 성능를 달성하여 실용적 구현에 적합하다.
• 이론적 분석을 통해 해가 가능한 최대 최소 사용자 데이터율을 달성함을 증명하였으며, 이는 공정성과 최적성의 확보를 확인한다.