[论文解读] CoMP Meets Energy Harvesting: A New Communication and Energy Cooperation Paradigm

Jie Xu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 6

一句话总结

本文提出了一种在CoMP系统中联合通信与能量协作的范式，其中多个配备可再生能源的多天线基站（BS）通过智能电网动态共享能量，以最大化加权和速率。在考虑实际能量损耗比例的前提下，联合优化发射功率与能量交换，该方案优于传统CoMP设计（无能量或通信协作），显著提升了下行链路吞吐量。

ABSTRACT

In this paper, we pursue a unified study on smart grid and coordinated multi-point (CoMP) enabled wireless communication by investigating a new joint communication and energy cooperation approach. We consider a practical CoMP system with clustered multiple-antenna base stations (BSs) cooperatively communicating with multiple single-antenna mobile terminals (MTs), where each BS is equipped with local renewable energy generators to supply power and also a smart meter to enable two-way energy flow with the grid. We propose a new energy cooperation paradigm, where a group of BSs dynamically share their renewable energy for more efficient operation via locally injecting/drawing power to/from an aggregator with a zero effective sum-energy exchanged. Under this new energy cooperation model, we consider the downlink transmission in one CoMP cluster with cooperative zero-forcing (ZF) based precoding at the BSs. We maximize the weighted sum-rate for all MTs by jointly optimizing the transmit power allocations at cooperative BSs and their exchanged energy amounts subject to a new type of power constraints featuring energy cooperation among BSs with practical loss ratios. Our new setup with BSs' energy cooperation generalizes the conventional CoMP transmit optimization under BSs' sum-power or individual-power constraints. Finally, we validate our results by simulations under various practical setups, and show that the proposed joint communication and energy cooperation scheme substantially improves the downlink throughput of CoMP systems powered by smart grid and renewable energy, as compared to other suboptimal designs without communication and/or energy cooperation.

研究动机与目标

• 解决由可再生能源和智能电网供电的CoMP系统中高效利用能量与频谱资源的挑战。
• 通过引入基站之间的动态能量协作，克服传统CoMP优化在总功率或单个功率约束下的局限性。
• 开发一个统一框架，联合优化具有可再生能源的CoMP簇中的下行链路传输与能量交换。
• 在确保通过本地协作实现与电网零净能量交换的前提下，对实际损耗比例下的能量传输进行建模。
• 在新型能量协作约束下，最大化所有移动终端的加权和速率。

提出的方法

• 提出一种新型能量协作模型，即CoMP簇中的基站通过聚合器本地交换能量，以实现与电网的零有效总能量交换。
• 将系统建模为具有簇集多天线基站和单天线移动终端的模型，采用协作零 forcing（ZF）预编码技术抑制干扰。
• 提出一种联合优化发射功率分配与基站间能量交换的方法，受能量协作约束限制，且能量传输效率非理想。
• 推导出一类新型功率约束，通过引入动态能量共享，推广了传统的总功率与单个功率约束。
• 采用凸优化技术求解联合问题，确保在实际能量损耗比例下具有收敛性与实际可行性。
• 采用基于智能电表的双向能量流机制，使基站能够本地注入或汲取功率，而无需依赖电网。

实验结果

研究问题

• RQ1 在可再生能源供电的无线网络中，基站之间的能量协作如何提升频谱效率？
• RQ2 在实际能量传输损耗下，如何实现发射功率与基站间能量交换的最优联合分配？
• RQ3 所提出的能量协作模型与传统CoMP优化在总功率或单个功率约束下的表现相比如何？
• RQ4 在具有可再生能源的CoMP系统中，联合通信与能量协作在多大程度上提升了下行链路吞吐量？
• RQ5 与缺乏通信或能量协作的次优设计相比，所提方案的性能增益如何？

主要发现

• 所提出的联合通信与能量协作方案显著提升了下行链路加权和速率，优于在总功率或单个功率约束下的传统CoMP系统。
• 能量协作提高了可再生能源的利用效率，减少了对电网的依赖，同时保持或提升了频谱效率。
• 与缺乏通信或能量协作的次优设计相比，该方案实现了更高的吞吐量，证明了两个领域之间的协同增益。
• 优化框架成功处理了实际能量传输损耗，确保了在真实部署中的鲁棒性与可行性。
• 仿真结果验证了所提模型在实际能量协作约束下，既具有通用性又优于现有CoMP功率分配策略。
• 零有效总能量交换模型通过在基站间平衡能量盈余与短缺，实现了可持续运行，且无需净电网能耗。