[论文解读] Multi-Antenna Wireless Powered Communication with Energy Beamforming

Liang Liu, Rui Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种用于多天线无线能量通信网络的联合优化框架，其中接入点通过能量波束成形传输无线能量，并使单天线用户能够实现上行链路信息传输。通过联合优化时隙分配、能量波束成形以及上行链路发射/接收波束成形，系统利用谱半径最小化重构方法与交替优化技术，最大化最小用户吞吐量，在非凸约束下实现最优公平性与性能。

ABSTRACT

The newly emerging wireless powered communication networks (WPCNs) have recently drawn significant attention, where radio signals are used to power wireless terminals for information transmission. In this paper, we study a WPCN where one multi-antenna access point (AP) coordinates energy transfer and information transfer to/from a set of single-antenna users. A harvest-then-transmit protocol is assumed where the AP first broadcasts wireless power to all users via energy beamforming in the downlink (DL), and then the users send their independent information to the AP simultaneously in the uplink (UL) using their harvested energy. To optimize the users' throughput and yet guarantee their rate fairness, we maximize the minimum throughput among all users by a joint design of the DL-UL time allocation, the DL energy beamforming, and the UL transmit power allocation plus receive beamforming. We solve this non-convex problem optimally by two steps. First, we fix the DL-UL time allocation and obtain the optimal DL energy beamforming, UL power allocation and receive beamforming to maximize the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) of all users. This problem is shown to be in general non-convex; however, we convert it equivalently to a spectral radius minimization problem, which can be solved efficiently by applying the alternating optimization based on the non-negative matrix theory. Then, the optimal time allocation is found by a one-dimension search to maximize the minimum rate of all users. Furthermore, two suboptimal designs of lower complexity are proposed, and their throughput performance is compared against that of the optimal solution.

研究动机与目标

• 为解决多天线接入点在无线能量通信网络（WPCNs）中的公平性与频谱效率挑战。
• 联合优化下行链路时隙分配、能量波束成形以及上行链路发射/接收波束成形，以最大化最小用户吞吐量。
• 克服WPCNs中双重近-远效应的问题，即远距离用户同时面临下行链路能量低和上行链路路径损耗高的问题。
• 通过等价重构与迭代优化技术，为非凸问题提供全局最优解。

提出的方法

• 系统采用能量采集-后传输协议与时分双工机制：首先，多天线AP向用户波束成形能量；随后，用户利用所采集的能量传输上行链路数据。
• 将时隙分配、能量波束成形以及上行链路功率/接收波束成形的联合优化建模为一个非凸问题，以最大化最小用户速率。
• 对于固定时隙分配，问题被重构为非负矩阵谱半径最小化问题，借助非负矩阵理论的交替优化方法实现全局优化。
• 通过在可行时隙区间内进行一维搜索，确定最优时隙分配以最大化最小用户吞吐量。
• 该方法利用SINR最大化与谱半径最小化之间的等价性，确保收敛至全局最优解。
• 提出两种低复杂度的次优设计用于对比，兼顾公平性的同时降低计算负载。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化能量波束成形与上行链路资源分配，以在多天线WPCN中实现最大公平性？
• RQ2 在下行链路能量传输与上行链路信息传输之间，最优时隙分配应如何确定，以最大化最小用户吞吐量？
• RQ3 非凸的波束成形与功率控制联合优化问题能否实现全局求解？若能，其求解方法为何？
• RQ4 所提方法如何缓解WPCNs中的双重近-远效应？
• RQ5 与次优设计相比，最优解在公平性与频谱效率方面的性能差距如何？

主要发现

• 通过将问题重构为非负矩阵的谱半径最小化，所提方法实现了时隙分配、能量波束成形与上行链路波束成形联合设计的全局最优性。
• 基于非负矩阵理论的交替优化方法获得最优解，确保在给定约束下收敛至全局最优。
• 通过联合优化波束成形与功率分配，有效缓解了双重近-远效应，确保用户无论距离远近均获得公平的吞吐量。
• 最优时隙分配通过一维搜索获得，高效平衡了下行链路能量传输与上行链路信息传输。
• 次优设计在显著降低复杂度的同时实现接近最优的性能，适用于实际部署。
• 理论分析证明，该解实现了可能的最大最小用户速率，证实了其公平性与最优性。