[论文解读] Multiuser Joint Energy-Bandwidth Allocation with Energy Harvesting - Part II: Multiple Broadcast Channels & Proportional Fairness

Zhe Wang, Vaneet Aggarwal+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种针对多用户能量采集无线网络中正交与非正交广播信道的最优能量-带宽分配算法。通过将问题迭代分解为能量和带宽子问题，该方法实现了 O(MK²) 的复杂度，并借助权重转换实现了比例公平性，表明在能量采集约束下，非正交广播相较于正交传输仅带来有限的增益。

ABSTRACT

In this paper, we consider the energy-bandwidth allocation for a network with multiple broadcast channels, where the transmitters access the network orthogonally on the assigned frequency band and each transmitter communicates with multiple receivers orthogonally or non-orthogonally. We assume that the energy harvesting state and channel gain of each transmitter can be predicted for $K$ slots {\em a priori}. To maximize the weighted throughput, we formulate an optimization problem with $O(MK)$ constraints, where $M$ is the number of the receivers, and decompose it into the energy and bandwidth allocation subproblems. In order to use the iterative algorithm proposed in [1] to solve the problem, we propose efficient algorithms to solve the two subproblems, so that the optimal energy-bandwidth allocation can be obtained with an overall complexity of ${\cal O}(MK^2)$, even though the problem is non-convex when the broadcast channel is non-orthogonal. For the orthogonal broadcast channel, we further formulate a proportionally-fair (PF) throughput maximization problem and derive the equivalence conditions such that the optimal solution can be obtained by solving a weighted throughput maximization problem. Further, the algorithm to obtain the proper weights is proposed. Simulation results show that the proposed algorithm can make efficient use of the harvested energy and the available bandwidth, and achieve significantly better performance than some heuristic policies for energy and bandwidth allocation. Moreover, it is seen that with energy-harvesting transmitters, non-orthogonal broadcast offers limited gain over orthogonal broadcast.

研究动机与目标

• 设计一种针对多个能量采集发射机通过正交与非正交广播信道与多个接收机通信的最优联合能量-带宽分配策略。
• 通过将具有非凸性质的联合优化问题分解为可处理的能量和带宽子问题，解决其非凸性。
• 通过将比例公平（PF）问题转换为具有推导出的最优权重的加权吞吐量最大化问题，实现在吞吐量上的比例公平性。
• 证明在能量采集约束下，非正交广播相较于正交传输仅带来微小的性能增益。

提出的方法

• 针对预测的能量采集和信道状态，在多个广播信道下建立具有 O(MK) 约束的联合能量-带宽分配问题。
• 利用先前工作中提出的迭代算法，将问题分解为能量分配和带宽分配子问题。
• 开发高效算法以在 O(MK²) 总复杂度内求解两个子问题，即使在非正交广播场景下也适用。
• 针对比例公平性，推导出等价条件，将 PF 问题转换为加权吞吐量最大化问题。
• 提出一种算法，用于计算加权问题的合适权重，以实现比例公平的吞吐量。
• 通过仿真验证方法，与启发式策略和凸优化求解器进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多用户、多广播信道网络中，即使问题具有非凸性，是否仍可实现最优能量-带宽分配？
• RQ2 在正交与非正交广播场景下，最优分解与求解联合能量与带宽分配问题的方法是什么？
• RQ3 在电池容量有限且信道时变的能量采集网络中，如何实现比例公平性？
• RQ4 在能量采集约束下，非正交广播相较于正交广播的性能增益如何？
• RQ5 比例公平问题能否等价地转换为具有可计算权重的加权吞吐量最大化问题？

主要发现

• 所提算法性能与通用凸优化求解器相当，验证了其最优性，并显著优于贪婪策略和传统比例公平调度等启发式策略。
• 当使用近似比例公平权重初始化时，算法收敛更快，在 K=20 时隙下约 10 次迭代内即可达到近似最优性能。
• 由于能量溢出和公平性约束，能量采集网络中非正交广播相较于正交广播仅带来有限的吞吐量增益。
• 传统比例公平策略对能量采集发射机而言次优，因其未考虑能量可用性和电池容量约束。
• 所提权重计算算法通过将比例公平问题转化为加权和速率最大化问题，实现了精确的比例公平吞吐量最大化。
• 整体算法实现 O(MK²) 复杂度，使其在多用户能量采集网络中具备可扩展性和高效性，适合实际部署。