[论文解读] Throughput Maximization in Wireless Powered Communication Networks

Hyunsgsik Ju, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 57

一句话总结

本文提出了一种在无线回传通信网络（WPCNs）中的'先采集后传输'协议，其中混合接入点（H-AP）首先向用户广播无线能量，用户随后利用所采集的能量通过时分多址（TDMA）传输信息。关键贡献在于发现了'双重近-远'问题，即远距离用户由于下行链路信道条件较差，需要更高的上行链路传输功率，导致速率分配不公平；为解决此问题，本文提出了一种公共吞吐量最大化框架，实现等速率分配，通过凸优化求解并获得闭式解。

ABSTRACT

This paper studies the newly emerging wireless powered communication network (WPCN) in which one hybrid access point (H-AP) with constant power supply coordinates the wireless energy/information transmissions to/from distributed users that do not have energy sources. A "harvest-then-transmit" protocol is proposed where all users first harvest the wireless energy broadcast by the H-AP in the downlink (DL) and then send their independent information to the H-AP in the uplink (UL) by time-division-multiple-access (TDMA). First, we study the sum-throughput maximization of all users by jointly optimizing the time allocation for the DL wireless power transfer versus the users' UL information transmissions given a total time constraint based on the users' DL and UL channels as well as their average harvested energy values. By applying convex optimization techniques, we obtain the closed-form expressions for the optimal time allocations to maximize the sum-throughput. Our solution reveals "doubly near-far" phenomenon due to both the DL and UL distance-dependent signal attenuation, where a far user from the H-AP, which receives less wireless energy than a nearer user in the DL, has to transmit with more power in the UL for reliable information transmission. Consequently, the maximum sum-throughput is achieved by allocating substantially more time to the near users than the far users, thus resulting in unfair rate allocation among different users. To overcome this problem, we furthermore propose a new performance metric so-called common-throughput with the additional constraint that all users should be allocated with an equal rate regardless of their distances to the H-AP. We present an efficient algorithm to solve the common-throughput maximization problem. Simulation results demonstrate the effectiveness of the common-throughput approach for solving the new doubly near-far problem in WPCNs.

研究动机与目标

• 为解决电池更换不切实际的无线能量受限网络挑战，特别是在偏远或危险环境中。
• 通过利用混合接入点（H-AP）的射频（RF）能量采集，设计一种协议以实现在无线回传通信网络（WPCNs）中的可持续运行。
• 在时间和能量约束下，最大化上行链路信息传输的总吞吐量，同时考虑上下行链路中的路径损耗。
• 解决总吞吐量最大化中固有的不公平性问题，即远距离用户因下行链路能量接收较差和上行链路传输功率需求高而处于劣势。
• 提出一种公共吞吐量度量，确保所有用户无论距离远近均能获得相等的数据速率，从而实现在WPCNs中的公平资源分配。

提出的方法

• 提出一种'先采集后传输'协议，其中H-AP首先在下行链路（DL）广播无线能量，随后用户通过时分多址（TDMA）进行上行链路（UL）信息传输。
• 在总时间约束下建模系统，联合优化用于能量传输的下行链路时间与用于信息传输的上行链路时间。
• 使用凸优化技术求解总吞吐量最大化问题，推导出最优时间分配的闭式表达式。
• 识别出'双重近-远'现象：距离H-AP较远的用户在下行链路中接收的能量较少，且在上行链路中必须使用更高功率传输，从而加剧了不公平性。
• 引入公共吞吐量最大化问题，并对所有用户施加等速率约束，将其重新表述为凸优化问题。
• 提出一种高效算法，利用拉格朗日对偶和KKT条件求解公共吞吐量最大化问题，获得唯一解。

实验结果

研究问题

• RQ1 在时间和能量约束下，如何最大化无线回传通信网络的总吞吐量？
• RQ2 上下行链路中的路径损耗对WPCNs中用户公平性有何影响？
• RQ3 为何传统总吞吐量最大化会导致WPCNs中速率分配不公平，其'双重近-远'现象的成因是什么？
• RQ4 是否可以在不牺牲整体系统性能的前提下，实现在WPCNs中的公平速率分配？
• RQ5 何种优化框架能够实现能量采集用户在WPCNs中公平吞吐量分配的高效计算？

主要发现

• 总吞吐量最大化问题为凸问题，可通过凸优化技术获得闭式解。
• 最优时间分配显著增加对近用户的时间分配，而远用户分配时间较少，导致因'双重近-远'效应引发显著不公平性。
• '双重近-远'现象的成因在于远距离用户在下行链路中接收的能量较少，且必须以更高上行链路功率传输，从而导致单位比特能量成本上升。
• 公共吞吐量最大化框架可确保所有用户实现相等的数据速率，克服了总吞吐量最大化中固有的不公平性问题。
• 所提出的公共吞吐量最大化算法收敛高效，最优解通过拉格朗日对偶和KKT条件推导得出。
• 仿真结果证实，公共吞吐量方法能有效缓解双重近-远问题，实现用户间公平且稳定的性能表现。