[论文解读] Communicating Using an Energy Harvesting Transmitter: Optimum Policies Under Energy Storage Losses

Kaya Tutuncuoglu, Aylin Yener|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2012

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 19被引用 26

一句话总结

本文推导了具有储能损耗的能量获取发射机的最优离线与在线功率分配策略，表明双阈值策略——在上下阈值之间使发射功率等于采集功率——可最大化吞吐量。当电池容量无限时，阈值非递减；在有限容量情况下，阈值会随电池状态调整。所提出的固定阈值在线策略尽管简单，却能实现接近最优的性能。

ABSTRACT

In this paper, short-term throughput optimal power allocation policies are derived for an energy harvesting transmitter with energy storage losses. In particular, the energy harvesting transmitter is equipped with a battery that loses a fraction of its stored energy. Both single user, i.e. one transmitter-one receiver, and the broadcast channel, i.e., one transmitter-multiple receiver settings are considered, initially with an infinite capacity battery. It is shown that the optimal policies for these models are threshold policies. Specifically, storing energy when harvested power is above an upper threshold, retrieving energy when harvested power is below a lower threshold, and transmitting with the harvested energy in between is shown to maximize the weighted sum-rate. It is observed that the two thresholds are related through the storage efficiency of the battery, and are nondecreasing during the transmission. The results are then extended to the case with finite battery capacity, where it is shown that a similar double-threshold structure arises but the thresholds are no longer monotonic. A dynamic program that yields an optimal online power allocation is derived, and is shown to have a similar double-threshold structure. A simpler online policy is proposed and observed to perform close to the optimal policy.

研究动机与目标

• 解决在非理想储能条件下能量获取发射机的能量利用效率问题，其中充电和放电过程存在能量损耗。
• 推导在储能低效条件下最大化吞吐量的最优离线功率分配策略。
• 将上述结果扩展至有限容量电池，并开发接近最优性能的实用在线策略。
• 证明储能低效性从根本上改变了最优策略的结构，使其从分段常数结构转变为双阈值结构。

提出的方法

• 通过动态规划推导单用户和广播信道的最优离线策略，假设可预先获知能量采集轨迹。
• 识别出双阈值结构：在两个阈值之间，发射功率等于采集功率，仅当采集功率超过上阈值时才进行储能。
• 证明在无限容量电池情况下，阈值通过储能效率相关联，且随时间非递减。
• 将分析扩展至有限容量电池，表明阈值变为分段常数且非单调，且在电池满载或空载状态时发生调整。
• 提出一种简单的在线策略，采用固定阈值，可维持稳定的能量缓冲，性能接近最优在线策略。
• 通过仿真验证结果，将所提在线策略与离线最优、激进（hasty）及恒定功率策略在不同储能效率下进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 储能低效性如何影响能量获取发射机最优功率分配策略的结构？
• RQ2 在非理想电池储能条件下，单用户能量获取链路的最优离线功率策略是什么？
• RQ3 当电池容量有限而非无限时，最优策略如何变化？
• RQ4 在存在储能损耗的情况下，采用固定阈值的简单在线策略能否实现接近最优的性能？
• RQ5 在不同储能效率下，双阈值策略与经典分段常数策略在性能和鲁棒性方面有何比较？

主要发现

• 对于具有储能损耗的无限容量电池，最优离线策略呈现双阈值结构，即在两个阈值之间发射功率等于采集功率。
• 阈值随时间非递减，由储能效率和采集过程决定，且上阈值始终大于或等于下阈值。
• 在有限容量电池情况下，双阈值结构依然存在，但阈值为分段常数，且在电池满载或空载状态时可能上升或下降。
• 通过动态规划推导的最优在线策略保持双阈值结构，并根据当前电池状态自适应调整。
• 所提出的固定阈值在线策略在所有储能效率水平下均与最优在线策略相差仅1%-2%，且优于激进策略和恒定功率策略。
• 在广播信道场景中，相同的双阈值策略可最大化加权和速率，且所提在线策略达到的速率区域非常接近最优离线边界。