[论文解读] Wireless Information and Power Transfer Design for Energy Cooperation Distributed Antenna Systems

Fangchao Yuan, Shi Jin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 25被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在能量采集（EH）与智能电网集成的分布式天线系统（DAS）中，针对同时无线信息与能量传输（SWIPT）的最优能量协作策略。通过联合优化能量分配与功率分割，同时满足能量采集与电网约束，实现了最大下行链路信息速率，且满足最低能量传输要求。其关键贡献在于提出了一种双阈值能量分配策略，优于贪婪与水填方案。

ABSTRACT

Distributed antenna systems (DAS) have been widely implemented in state-of-the-art cellular communication systems to cover dead spots. Recent studies have also indicated that DAS have advantages in wireless energy transfer (WET). In this paper, we study simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) for a multiple-input single-output (MISO) DAS in the downlink which consists of arbitrarily distributed remote antenna units (RAUs). In order to save the energy cost, we adopt energy cooperation of energy harvesting (EH) and two-way energy flows to let the RAUs trade their harvested energy through the smart grid network. Under individual EH constraints, per-RAU power constraints and various smart grid considerations, we investigate a power management strategy that determines how to utilize the stochastically spatially distributed harvested energy at the RAUs and how to trade the energy with the smart grid simultaneously to supply maximum wireless information transfer (WIT) with a minimum WET constraint for a receiver adopting power splitting (PS). Our analysis shows that the optimal design can be achieved in two steps. The first step is to maximize a new objective that can simultaneously maximize both WET and WIT, considering both the smart grid profitable and smart grid neutral cases. For the grid-profitable case, we derive the optimal full power strategy and provide a closed-form result to see under what condition this strategy is used. On the other hand, for the grid-neutral case, we illustrate that the optimal power policy has a double-threshold structure and present an optimal allocation strategy. The second step is then to solve the whole problem by obtaining the splitting power ratio based on the minimum WET constraint. Simulation results are provided to evaluate the performance under various settings and characterize the double-threshold structure.

研究动机与目标

• 为应对分布式天线系统（DAS）中能量采集不可靠且间歇性的问题，通过集成支持双向能源交易的智能电网来解决。
• 在具有任意分布的远端天线单元（RAUs）的多输入单输出（MISO）DAS中，联合优化无线信息传输（WIT）与无线能量传输（WET）。
• 在利用智能电网的盈利性与中立性的同时，满足各RAU的能量因果性、功率约束及最低WET要求。
• 设计一种功率管理策略，以最优方式在RAUs之间分配采集到的能量与电网供电能量，从而最大化WIT性能。

提出的方法

• 提出两步优化：首先在智能电网盈利性与中立性条件下，最大化WIT/WET联合目标；随后调整功率分割（PS）比例以满足最低WET约束。
• 在智能电网盈利的情况下，推导出闭式全功率传输策略。
• 在智能电网中立的情况下，证明最优功率策略具有双阈值结构，并提出相应的分配策略。
• 利用改进的Jensen不等式分析能量共享效率，并在电力传输效率较低时指导策略决策。
• 采用基于二分法的算法，高效计算满足最低WET约束的最优PS比例。
• 通过数值仿真，将所提策略与贪婪和水填基准方案进行对比，评估在不同RAU数量与传输效率下的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有空间分布多样性的远端天线单元（RAUs）的分布式天线系统中，如何最优管理从环境射频信号中采集的能量？
• RQ2 当同时具备能量采集与智能电网交易能力时，在各RAU功率约束与能量因果性约束下，最优功率分配策略是什么？
• RQ3 在智能电网中立条件下，功率分配中的双阈值结构如何产生，其在平衡WIT与WET中的作用是什么？
• RQ4 在不同能量传输效率下，所提最优策略相比贪婪与水填等次优基准方案的性能增益如何？
• RQ5 在SWIPT-enabled DAS中，功率分割比例如何影响WIT速率与WET性能之间的权衡？

主要发现

• 所提出的双阈值功率分配策略显著优于贪婪与水填方案，尤其在电力传输效率较低时（η=0.8）表现更优。
• 当智能电网具有盈利性时，最优策略为全功率传输，该策略以闭式形式推导得出，且依赖于电网的电价结构。
• 在智能电网中立条件下，最优策略有三种可能形式：最大功率、零功率，或具有双阈值结构的混合分配。
• 双阈值结构仅在传输效率较高时能实现高效能量共享，当η较低时可避免能量损失。
• 仿真结果表明，即使在η=0.8时，所提策略仍能将SWIPT性能保持在接近理想情况（η=1）的水平，展现出对电网传输能量损失的鲁棒性。
• WIT-WET权衡区域显示，随着功率分割比例增加，WIT速率的提升速度超过WET性能，尤其在RAU数量较多时更为明显。