[논문 리뷰] Optimal Resource Allocation in Full-Duplex Wireless-Powered Communication Network

Hyungsik Ju, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 11.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 28인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 접근점(H-AP)이 동일한 주파수 대역에서 하향링크에서 무선 에너지를 전송하고 상향링크에서 사용자로부터 정보를 수신하는 풀디플렉스 무선 에너지 수확 통신망(FD-WPCN)을 위한 최적 자원 할당 프레임워크를 제안한다. 완전한 및 불완전한 자기간섭 제거(SIC) 조건 하에서 시간 및 전력 할당을 공동 최적화함으로써, 상향링크 전송의 가중합신뢰도를 최대화하며, 엄격한 피크 전력 제약 조건과 효과적인 간섭 제거 조건 하에서 FD-WPCN이 허프디플렉스 WPCN보다 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 무선 에너지 수확을 통해 지속적인 운영을 가능하게 하여 에너지 제약이 있는 무선 네트워크의 과제를 해결한다.
• 기존의 허프디플렉스 WPCN의 스펙트럼 효율성과 에너지 간섭의 상충 문제를 해결하기 위해 접근점에서 풀디플렉스 작동 방식을 도입한다.
• 풀디플렉스 WPCN에서 하향링크 무선 에너지 전송과 상향링크 정보 전송을 동시에 가능하게 하는 프로토콜을 설계한다.
• 수확된 에너지 제약 조건 하에서 상향링크 정보 전송의 가중합신뢰도를 극대화하기 위해 시간 및 전력 할당을 최적화한다.
• 다양한 자기간섭 제거 및 피크 전력 제약 조건 하에서 풀디플렉스 WPCN의 성능을 허프디플렉스 WPCN 기준선과 비교한다.

제안 방법

• 동일한 주파수 대역에서 H-AP가 하향링크에서 무선 에너지를 방출하고 상향링크 신호를 동시에 수신하는 풀디플렉스 WPCN 프로토콜을 제안한다.
• 하향링크 WET에 할당된 시간과 상향링크 WIT에 할당된 시간, 시간에 따른 전력 할당을 공동 최적화하여 가중합신뢰도를 극대화하는 최적화 문제를 수립한다.
• 완전한 자기간섭 제거(SIC) 조건 하에서 볼록 최적화 기법을 사용하여 자원 할당 문제를 해결하고, 닫힌 형태의 해를 도출한다.
• 불완전한 SIC 조건 하에서는 라그랑주 이중분해와 KKT 조건을 활용한 반복 최적화를 통해 부분 최적 해를 도출한다.
• 성능 비교를 위해 유사한 볼록 최적화 방법을 사용하여 허프디플렉스 WPCN 기준선의 최적 해를 유도한다.
• 라그랑주 함수를 단순화하기 위해 변수 변환(예: $ z_i = C_i (P_{\text{avg}} - P_i^{(k-1)} \tau_i)/\tau_i $)을 적용하고, 최적의 시간 및 전력 할당을 구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수확된 에너지 제약 조건 하에서 풀디플렉스 WPCN에서 시간 및 전력 할당을 공동으로 어떻게 할당할 수 있는가?
• RQ2 스펙트럼 효율성 및 합신뢰도 측면에서 풀디플렉스 작동 방식은 허프디플렉스 WPCN 대비 어떤 성능 향상을 제공하는가?
• RQ3 자기간섭 제거의 효과성이 FD-WPCN의 성능 향상에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 H-AP가 피크 전력 제약 조건과 불완전한 SIC 조건에서 작동할 경우 최적의 시간 할당 정책은 무엇인가?
• RQ5 가중합신뢰도 측면에서 FD-WPCN이 HD-WPCN를 초월하는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 효과적인 자기간섭 제거가 적용된 경우 FD-WPCN는 HD-WPCN보다 더 높은 가중합신뢰도를 달성한다.
• 엄격한 피크 전력 제약 조건 하에서는 FD-WPCN이 허프디플렉스 WPCN보다 뚜렷이 뛰어나며, 이는 더 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 활용도 덕분이다.
• 완전한 SIC 조건 하에서는 볼록 최적화와 KKT 조건을 활용하여 시간 및 전력 할당에 대한 닫힌 형태의 최적 해를 도출한다.
• 불완전한 SIC 조건 하에서는 이중 문제를 해결하는 반복 알고리즘을 제안하며, 이는 근사 최적 해로 수렴한다.
• 하향링크 WET에 할당된 최적의 시간 할당은 $ \tau_0^* = \min\left(1, \frac{P_{\text{avg}}}{P_{\text{peak}}}\right) $ 로, 전력 제약을 준수한다.
• 최적의 전력 할당은 $ \tau_0^* < \frac{P_{\text{avg}}}{P_{\text{peak}}} $ 일 경우 $ P^* = P_{\text{peak}} $, 그렇지 않으면 $ P^* = \frac{P_{\text{avg}}}{\tau_0^*} $ 로 평균 전력 제약 조건을 만족한다.