[论文解读] Multi-user Scheduling Schemes for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer Over Heterogeneous Fading Channels.

Rania Morsi, Diomidis S. Michalopoulos+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 9被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于在异构衰落信道中实现同时无线信息与能量传输（SWIPT）的多用户下行链路系统的基于顺序的调度方案。通过根据信噪比（SNR）或归一化SNR的升序顺序选择用户，而非选择最大值，该方案在遍历容量与采集能量之间实现平衡；选择顺序越低，能量采集越多，但容量越低。基于顺序的等吞吐量调度器则在两个指标上均确保公平性。

ABSTRACT

Radio frequency energy harvesting presents a viable solution for prolonging the lifetime of wireless communication devices. In this paper, we study downlink multi-user scheduling for a time-slotted system with simultaneous wireless information and power transfer. In particular, in each time slot, a single user is scheduled to receive information, while the remaining users opportunistically harvest the ambient radio frequency energy. We devise novel scheduling schemes in which the tradeoff between the users ’ ergodic capacities and their average amount of harvested energy can be controlled. In particular, we modify the well-known maximum signal-to-noise ratio (SNR) and the maximum normalized-SNR (N-SNR) schedulers by scheduling the user whose SNR/N-SNR has a certain ascending order (selection order) rather than the maximum one. We refer to these new schemes as order-based SNR/N-SNR scheduling and show that the lower the selection order, the higher the average amount of harvested energy in the system at the expense of a reduced ergodic system capacity. The order-based N-SNR scheduling scheme provides proportional fairness among the users in terms of both the ergodic capacity and the average harvested energy. Furthermore, we propose an order-based equal throughput (ET) fair scheduler, which schedules the user having the minimum moving average throughput out of the users whose N-SNR orders fall into a given set of allowed orders. In this context, we also derive feasibility conditions for achieving ET with the order-based ET scheduler. Using the theory of order statistics, the average per-user harvested energy and ergodic capacity of all proposed scheduling schemes are analyzed and obtained in closed-form for heterogeneous (independent and non-identically distributed) Rayleigh, Ricean, Nakagami-m, and Weibull fading channels. Our closed-form analytical results are corroborated by simulations.

研究动机与目标

• 解决多用户同时无线信息与能量传输（SWIPT）系统中遍历容量与平均采集能量之间的权衡问题。
• 设计调度方案，实现时隙制下行链路系统中容量-能量权衡的可控调节。
• 通过新型基于顺序的调度方法，确保用户之间在遍历容量与采集能量方面的比例公平性。
• 推导在异构衰落条件（瑞利、莱斯、Nakagami-m、威布尔）下平均采集能量与遍历容量的闭式表达式。
• 建立基于顺序选择实现等吞吐量调度的可行性条件。

提出的方法

• 通过引入选择顺序参数，修改传统的最大SNR和最大归一化SNR（N-SNR）调度器，使调度用户由第k小的SNR/N-SNR决定，而非最大值。
• 引入基于顺序的N-SNR调度器，通过在吞吐量与能量采集之间实现平衡，实现用户间的比例公平性。
• 提出一种基于顺序的等吞吐量（ET）公平调度器，选择在允许的N-SNR顺序集合内、移动平均吞吐量最小的用户。
• 利用顺序统计理论，推导多种衰落分布下的平均用户采集能量与遍历容量的闭式表达式。
• 为在所提出的基于顺序的ET调度器下实现等吞吐量调度，形式化推导可行性条件。
• 通过在瑞利、莱斯、Nakagami-m和威布尔衰落信道上的仿真验证分析结果的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在多用户SWIPT系统中控制遍历容量与平均采集能量之间的权衡？
• RQ2 基于升序SNR或N-SNR顺序而非最大值选择用户，对系统性能有何影响？
• RQ3 基于顺序的调度能否在用户之间实现遍历容量与采集能量的比例公平性？
• RQ4 在所提出的基于顺序的框架中，实现等吞吐量调度的可行性条件是什么？
• RQ5 在异构衰落信道下，平均采集能量与遍历容量的闭式表达式是什么？

主要发现

• 在基于顺序的SNR/N-SNR调度器中，选择顺序越低，平均采集能量越高，但遍历系统容量越低。
• 基于顺序的N-SNR调度器通过在用户间平衡遍历容量与平均采集能量，实现比例公平性。
• 基于顺序的等吞吐量调度器通过基于移动平均吞吐量和允许的N-SNR顺序集合选择用户，确保吞吐量公平性的同时保持能量采集效率。
• 利用顺序统计理论，为瑞利、莱斯、Nakagami-m和威布尔衰落信道推导出平均用户采集能量与遍历容量的闭式表达式。
• 正式推导出实现等吞吐量调度的可行性条件，其依赖于允许的N-SNR选择顺序集合。
• 仿真结果验证了分析结果，确认了在所有考虑的衰落分布下闭式表达式的准确性。