[论文解读] Multi-Objective Beamforming for Energy-Efficient SWIPT Systems

Shiyang Leng, Derrick Wing Kwan Ng+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 10被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于能量高效同时无线信息与能量传输（SWIPT）系统的多目标波束成形框架，联合优化在信道状态信息不完美和每阵元电路功耗约束下的频谱效率与能量采集效率。非凸问题通过拉格朗日对偶和KKT条件转化为秩约束半定规划（SDP），并利用SDP松弛求解，揭示了信息与能量效率之间的权衡，该权衡可通过多发射天线缓解。

ABSTRACT

In this paper, we study the resource allocation algorithm design for energy-efficient simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) systems. The considered system comprises a transmitter, an information receiver, and multiple energy harvesting receivers equipped with multiple antennas. We propose a multi-objective optimization framework to study the trade-off between the maximization of the energy efficiency of information transmission and the maximization of wireless power transfer efficiency. The proposed problem formulation takes into account the per antenna circuit power consumption of the transmitter and the imperfect channel state information of the energy harvesting receivers. The adopted non-convex multi-objective optimization problem is transformed into an equivalent rank-constrained semidefinite program (SDP) and optimally solved by SDP relaxation. Numerical results unveil an interesting trade-off between the considered conflicting system design objectives and reveal the benefits of multiple transmit antennas for improving system energy efficiency.

研究动机与目标

• 解决最大化信息传输能量效率与最大化无线能量传输效率之间的冲突设计目标。
• 将发射端的每阵元电路功耗和不完善的信道状态信息纳入模型，以实现更真实的系统建模。
• 开发一种联合资源分配算法，通过多目标优化平衡频谱效率与能量采集效率。
• 通过半定规划松弛为非凸多目标问题提供最优解。
• 量化信息与能量效率之间的权衡，并评估多天线对系统性能的影响。

提出的方法

• 建立一个非凸多目标优化问题，旨在同时最大化信息传输能量效率和能量传输效率。
• 利用拉格朗日对偶和Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件，将问题转化为等价的秩约束半定规划（SDP）。
• 应用SDP松弛以获得可处理的解，且在秩一波束成形结构下保证最优性。
• 通过互补松弛性和矩阵秩分析推导出最优波束成形结构，表明当优先考虑信息能量效率时，仅使用信息波束。
• 利用对偶变量和矩阵分解表明，当两个目标均活跃时，信息传输的波束成形矩阵必须为秩一。
• 采用两阶段优化：首先求解松弛后的SDP，然后通过秩最小化验证秩一解。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SWIPT系统中，最大化信息能量效率与最大化无线能量传输效率之间存在何种基本权衡？
• RQ2 发射端不完善的信道状态信息如何影响SWIPT系统中能量高效波束成形的设计？
• RQ3 当信息与能量效率联合最大化时，最优波束成形结构是什么？
• RQ4 每阵元电路功耗如何影响系统整体能量效率？
• RQ5 多发射天线在多大程度上改善了SWIPT系统中信息与能量效率之间的权衡？

主要发现

• 在最大化信息能量效率与最大化无线能量传输效率之间存在非平凡的权衡，该权衡无法通过单目标优化解决。
• 当同时考虑两个目标时，最优波束成形解仅需一个信息波束，且能量波束矩阵设为零。
• 当两个目标均活跃时，信息传输的波束成形矩阵始终为秩一，确保最优能量效率。
• 所提出的SDP松弛方法可获得最优解，且对偶变量矩阵的秩反映了波束成形结构。
• 多发射天线显著提升了系统能量效率，通过更好地管理信息与能量传输之间的权衡。
• 数值结果表明，所提方法在性能上优于单目标基准方法，尤其在高信噪比（SNR）区域表现更优。