[论文解读] Optimal Power Allocation for Outage Minimization in Fading Channels with Energy Harvesting Constraints

Chuanshu Huang, Rui Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2012

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 17被引用 7

一句话总结

本文提出最优功率分配策略，以在具有能量获取（EH）约束的衰落信道中最小化中断概率，同时考虑非因果和因果的能量状态信息（ESI）。针对非因果ESI，提出一种离线前向搜索算法，得到非递减的、'先节省后传输'的功率分配特性；针对因果ESI，提出基于动态规划的在线算法，分别实现全局最优与次优解。

ABSTRACT

This paper studies the optimal power allocation for outage minimization in point-to-point fading channels with the energy-harvesting constraints and channel distribution information (CDI) at the transmitter. Both the cases with non-causal and causal energy state information (ESI) are considered, which correspond to the energy harvesting rates being known and unknown prior to the transmissions, respectively. For the non-causal ESI case, the average outage probability minimization problem over a finite horizon is shown to be non-convex for a large class of practical fading channels. However, the globally optimal "offline" power allocation is obtained by a forward search algorithm with at most $N$ one-dimensional searches, and the optimal power profile is shown to be non-decreasing over time and have an interesting "save-then-transmit" structure. In particular, for the special case of N=1, our result revisits the classic outage capacity for fading channels with uniform power allocation. Moreover, for the case with causal ESI, we propose both the optimal and suboptimal "online" power allocation algorithms, by applying the technique of dynamic programming and exploring the structure of optimal offline solutions, respectively.

研究动机与目标

• 在具有能量获取约束的块衰落信道中，最小化有限时域内的平均中断概率。
• 解决当发射端仅有信道分布信息（CDI）而无瞬时信道状态信息（CSI）时的功率分配挑战。
• 分别在非因果与因果能量状态信息（ESI）条件下，开发最优离线与在线功率分配策略。
• 刻画最优功率分配的结构性质，特别是能量受限系统中的'先节省后传输'行为。
• 将经典中断容量结果扩展至具有时变能量可用性的能量获取场景。

提出的方法

• 提出一种前向搜索算法，最多进行N次一维搜索，以计算在非因果ESI下的全局最优离线功率分配。
• 应用动态规划推导因果ESI下的最优在线功率分配，利用离线解的结构特性。
• 在累计能量因果性约束下，采用分段常数功率分配模型，将N个EH周期中每个周期划分为M个通信时隙。
• 通过反证法与结构分析推导出必要最优性条件，证明最优功率分配曲线为非递减，并在关键点处严格满足能量获取约束。
• 通过利用高功率区域下中断概率函数的凸性，提出一种次优在线算法，采用类似水填充的功率重分配策略。
• 采用数学证明技术，包括反证法与功率分配曲线的迭代比较，以确立最优性与结构性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有能量获取与非因果ESI的衰落信道中，最小化平均中断概率的最优离线功率分配策略是什么？
• RQ2 当能量到达信息仅能因果获得时，最优功率分配的结构如何变化？
• RQ3 能量因果性约束对块衰落信道中断概率最小化问题有何影响？
• RQ4 最优离线解的结构能否为因果ESI下的高效在线功率分配算法提供指导？
• RQ5 在实际衰落分布下，中断概率如何随发射功率变化而变化？这对功率控制有何启示？

主要发现

• 对于非因果ESI的最优离线功率分配为时间非递减，且表现出'先节省后传输'结构，即初始阶段储存能量，随后以更高功率进行传输。
• 通过最多在N个EH周期内进行N次一维搜索的前向搜索算法，可获得全局最优离线解。
• 在N=1的特殊情况下，最优功率分配恢复经典中断容量结果，采用均匀功率分配。
• 在因果ESI下，基于动态规划的最优在线算法通过实时适应能量可用性，实现全局最优性能。
• 通过利用高功率区域下中断函数的凸性，所提出的次优在线算法提供了一种性能保障强的实用替代方案。
• 证明表明，任何偏离最优结构的替代功率分配曲线均会导致矛盾，从而确认所推导解的唯一性与最优性。