[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一种全双工无线能量收集通信网络（FD-WPCN）的最优资源分配框架，其中混合接入点（H-AP）在下行链路同时进行无线能量传输，并在上行链路接收用户信息。通过在完美与非完美信道干扰消除（SIC）条件下联合优化时隙与功率分配，该方案最大化上行链路传输的加权和速率，结果表明在严格峰值功率约束下，FD-WPCN相较于半双工WPCN具有更优性能，且在有效干扰消除条件下表现更佳。

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.

研究动机与目标

• 通过无线能量收集实现网络的持续运行，解决能量受限无线网络的挑战。
• 通过在接入点引入全双工操作，克服传统半双工WPCN在频谱效率与能量利用之间的权衡限制。
• 设计一种协议，使全双工WPCN中的H-AP能够同时进行下行链路无线能量传输与上行链路信息传输。
• 在收集到的能量约束下，优化时隙与功率分配，以最大化上行链路信息传输的加权和速率。
• 在不同自干扰消除效果与峰值功率约束条件下，对比全双工WPCN与半双工WPCN基线的性能表现。

提出的方法

• 提出一种全双工WPCN协议，使H-AP在相同频段内同时广播无线能量并接收上行链路信号。
• 建立联合优化问题，用于下行链路无线能量传输（WET）与上行链路无线信息传输（WIT）的时隙分配，以及时间内的功率分配，以最大化加权和速率。
• 采用凸优化技术求解完美自干扰消除（SIC）条件下的资源分配问题，推导出闭式解。
• 针对非完美SIC，通过拉格朗日对偶分解与KKT条件进行迭代优化，提出次优解法。
• 采用类似凸优化方法推导半双工WPCN基线的最优解，用于性能对比。
• 通过变量变换（如 $ z_i = C_i (P_{\text{avg}} - P_i^{(k-1)} \tau_i)/\tau_i $）简化拉格朗日函数，求解最优时隙与功率分配。

实验结果

研究问题

• RQ1 在能量采集约束下，如何在全双工WPCN中联合分配时隙与功率，以最大化上行链路加权和速率？
• RQ2 与半双工WPCN相比，全双工操作在频谱效率与和速率方面带来了多大的性能增益？
• RQ3 自干扰消除的有效性如何影响FD-WPCN的性能增益？
• RQ4 当H-AP在峰值功率约束与非完美SIC条件下运行时，最优时隙分配策略是什么？
• RQ5 在何种条件下，FD-WPCN在加权和速率方面优于HD-WPCN？

主要发现

• 在实现有效自干扰消除的情况下，FD-WPCN的加权和速率显著高于HD-WPCN。
• 在严格峰值功率约束下，由于频谱效率与能量利用更优，FD-WPCN相较于HD-WPCN表现出显著性能优势。
• 对于完美SIC，本文通过凸优化与KKT条件推导出时隙与功率分配的闭式最优解。
• 对于非完美SIC，提出一种次优迭代算法，通过求解对偶问题收敛至近似最优解。
• 下行链路WET的最优时隙分配为 $ \tau_0^* = \min\left(1, \frac{P_{\text{avg}}}{P_{\text{peak}}}\right) $，确保满足功率约束。
• 当 $ \tau_0^* < \frac{P_{\text{avg}}}{P_{\text{peak}}} $ 时，最优功率分配为 $ P^* = P_{\text{peak}} $；否则 $ P^* = \frac{P_{\text{avg}}}{\tau_0^*} $，以满足平均功率约束。