[论文解读] Full-Duplex Wireless-Powered Communication Network with Energy Causality

Xin Kang, Chin Keong Ho+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 18被引用 18

一句话总结

本文提出了一种全双工无线能量传输通信网络（WPCN），其中混合接入点（HAP）通过时 division multiple access（TDMA）同时广播无线能量并从多个用户接收上行链路数据。通过强制执行能量因果性——即用户只能使用其传输前已采集的能量——实现了最优时间分配，以最大化总吞吐量（已证明为凸优化问题，以线性复杂度求解闭式解），并最小化总传输时间，采用两步算法。主要结果表明，吞吐量随用户数量增加而提升，且在总吞吐量最大化与总时间最小化目标下，最优调度策略存在差异。

ABSTRACT

In this paper, we consider a wireless communication network with a full-duplex hybrid access point (HAP) and a set of wireless users with energy harvesting capabilities. The HAP implements the full-duplex through two antennas: one for broadcasting wireless energy to users in the downlink and one for receiving independent information from users via time-division-multiple-access (TDMA) in the uplink at the same time. All users can continuously harvest wireless power from the HAP until its transmission slot, i.e., the energy causality constraint is modeled by assuming that energy harvested in the future cannot be used for tranmission. Hence, latter users' energy harvesting time is coupled with the transmission time of previous users. Under this setup, we investigate the sum-throughput maximization (STM) problem and the total-time minimization (TTM) problem for the proposed multi-user full-duplex wireless-powered network. The STM problem is proved to be a convex optimization problem. The optimal solution strategy is then obtained in closed-form expression, which can be computed with linear complexity. It is also shown that the sum throughput is non-decreasing with increasing of the number of users. For the TTM problem, by exploiting the properties of the coupling constraints, we propose a two-step algorithm to obtain an optimal solution. Then, for each problem, two suboptimal solutions are proposed and investigated. Finally, the effect of user scheduling on STM and TTM are investigated through simulations. It is also shown that different user scheduling strategies should be used for STM and TTM.

研究动机与目标

• 为解决无线网络中电池寿命有限的问题，通过无线能量采集实现持续运行。
• 设计一种全双工混合接入点（HAP），可同时向多个用户传输能量并接收上行链路数据。
• 建立能量因果性模型，确保用户无法使用未来采集的能量，从而在用户之间耦合能量采集与传输时间。
• 求解两个关键优化问题：在能量因果性约束下，最大化总吞吐量（STM）与最小化总传输时间（TTM）。
• 比较最优与次优的时间分配与调度策略在STM与TTM中的表现，并通过仿真评估其性能。

提出的方法

• HAP使用两个天线：一个用于下行链路无线能量传输（WPT），另一个通过TDMA用于上行链路接收，实现WPT与上行链路传输的并发。
• 能量因果性建模为：每个用户仅能使用其自身传输时隙之前所采集的能量，从而在用户之间形成时间耦合约束。
• 将总吞吐量最大化（STM）问题建模为凸优化问题，并以线性复杂度求解闭式解。
• 针对总传输时间最小化（TTM）问题，提出一种两步算法，以利用耦合约束并获得最优解。
• 提出两种次优时间分配方案：等时长分配与切线点分配，并与最优解进行性能对比。
• 评估STM与TTM问题中的用户调度策略，通过仿真比较按信噪比（SNR）递增与递减顺序的调度性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 所提出的具有能量因果性的全双工WPCN协议如何影响可实现的总吞吐量与总传输时间？
• RQ2 在能量因果性约束下，最大化总吞吐量的最优时间分配策略是什么？是否可高效计算？
• RQ3 用户数量如何影响总吞吐量？系统吞吐量是否随用户数增加而非递减？
• RQ4 TTM问题中用户的最优调度顺序是什么？与次优调度策略相比表现如何？
• RQ5 在STM与TTM问题中，次优时间分配方案相对于最优解的性能表现如何？

主要发现

• 总吞吐量最大化（STM）问题被证明为凸优化问题，最优解以闭式表达，计算复杂度为线性。
• 总吞吐量随用户数量增加而非递减，且最优解与等时长分配方案之间的性能差距随用户数增加而显著扩大（例如，K=10时差距可达1单位）。
• 针对总传输时间最小化（TTM）问题，提出一种两步算法，可最优求解耦合的能量因果性约束。
• 切线点次优时间分配方案与最优解非常接近，差距较小，且随HAP发射功率增加而进一步缩小。
• 按信噪比（SNR）递减顺序调度用户优于递增顺序，尤其在低SNR用户占据大部分传输时间时表现更优。
• STM与TTM问题的最优调度策略不同，表明调度选择取决于系统目标。