[论文解读] Throughput Optimal Policies for Energy Harvesting Wireless Transmitters with Non-Ideal Circuit Power

Jie Xu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2012

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 17被引用 8

一句话总结

本文提出了一种针对具有非理想电路功耗的能量采集无线发射机的吞吐量最优功率分配策略，其中发射机在激活时消耗固定电路功耗。该文提出了一种离线最优的两阶段策略——首先最大化能量效率，然后最大化频谱效率——并将其扩展至具有部分能量状态信息的在线场景，揭示了在能量采集约束下能量效率与频谱效率优化的统一性。

ABSTRACT

Characterizing the fundamental tradeoffs for maximizing energy efficiency (EE) versus spectrum efficiency (SE) is a key problem in wireless communication. In this paper, we address this problem for a point-to-point additive white Gaussian noise (AWGN) channel with the transmitter powered solely via energy harvesting from the environment. In addition, we assume a practical on-off transmitter model with non-ideal circuit power, i.e., when the transmitter is on, its consumed power is the sum of the transmit power and a constant circuit power. Under this setup, we study the optimal transmit power allocation to maximize the average throughput over a finite horizon, subject to the time-varying energy constraint and the non-ideal circuit power consumption. First, we consider the off-line optimization under the assumption that the energy arrival time and amount are a priori known at the transmitter. Although this problem is non-convex due to the non-ideal circuit power, we show an efficient optimal solution that in general corresponds to a two-phase transmission: the first phase with an EE-maximizing on-off power allocation, and the second phase with a SE-maximizing power allocation that is non-decreasing over time, thus revealing an interesting result that both the EE and SE optimizations are unified in an energy harvesting communication system. We then extend the optimal off-line algorithm to the case with multiple parallel AWGN channels, based on the principle of nested optimization. Finally, inspired by the off-line optimal solution, we propose a new online algorithm under the practical setup with only the past and present energy state information (ESI) known at the transmitter.

研究动机与目标

• 解决能量采集无线系统中非理想电路功耗下能量效率（EE）与频谱效率（SE）之间的基本权衡问题。
• 在时变能量到达与固定电路功耗条件下，制定并求解有限时间窗内平均吞吐量最大化的优化问题。
• 提出一种最优离线策略，通过两阶段传输机制统一实现能量效率与频谱效率的最大化。
• 利用嵌套优化原理将离线解扩展至多个并行AWGN信道。
• 提出一种基于历史与当前能量状态信息（ESI）的实用在线算法，其结构受离线最优解启发。

提出的方法

• 采用非理想功耗模型：总功耗 = 发射功耗 + 固定电路功耗（α），关断模式下功耗为零。
• 制定离线优化问题，以在能量因果性约束与非理想电路功耗下最大化平均吞吐量。
• 证明最优解由两个阶段组成：(1) 最大化能量效率的开关式功率分配；(2) 随时间非递减的功率分配以最大化频谱效率。
• 利用凸松弛与对偶性方法，证明吞吐量函数在发射功耗上严格为凹函数，从而支持高效优化。
• 通过基于水填注原理的嵌套优化框架，将解扩展至多个并行AWGN信道。
• 设计一种在线算法，仅利用历史与当前能量状态信息，模仿离线最优策略的结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 与理想模型相比，非理想电路功耗如何改变能量采集无线系统中EE-SE权衡的本质？
• RQ2 在时变能量到达与固定电路功耗条件下，最大化吞吐量的最优离线功率分配策略是什么？
• RQ3 最优离线策略能否被分解为分别优化能量效率与频谱效率的独立阶段？
• RQ4 如何将最优离线结构适配为仅依赖部分能量状态信息的实用在线算法？
• RQ5 与传统能量采集系统中的功率控制策略相比，所提出的在线算法在性能上有哪些增益？

主要发现

• 最优离线策略由两阶段传输构成：第一阶段为最大化能量效率的开关式分配；第二阶段为非递减功率分配，以最大化频谱效率。
• 非理想电路功耗从根本上改变了EE-SE权衡，使得在单一最优策略中统一优化两者成为可能。
• 单通道情况下的最优解通过求解具有零对偶间隙的凸优化问题获得，确保了全局最优性。
• 对于多个并行AWGN信道，最优策略通过嵌套优化推导得出，水填注功率分配以分层方式应用。
• 所提出的在线算法受离线最优结构启发，仅依赖历史与当前能量状态信息，即可实现接近最优的性能。
• 吞吐量函数在发射功耗上严格为凹函数，从而保证了最优解的唯一性与稳定性。