[论文解读] Wireless Information and Power Transfer in Multiuser OFDM Systems

Xun Zhou, Rui Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 9

一句话总结

本文提出了一种用于下行链路多用户OFDM系统中支持同时无线信息与能量传输（SWIPT）的最优资源分配方案，采用TDMA中的时隙切换（TS）或OFDMA中的功率分配（PS）来平衡能量采集与信息解码。主要贡献在于提出了一种凸优化框架，可在满足个体能量采集和功率约束的条件下最大化加权和速率，结果表明当需要高能量需求时，PS优于TS。

ABSTRACT

In this paper, we study the optimal design for simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in downlink multiuser orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems. For information transmission, we consider two types of multiple access schemes, namely, time division multiple access (TDMA) and orthogonal frequency division multiple access (OFDMA). At the receiver side, due to the practical limitation that circuits for harvesting energy from radio signals are not yet able to decode the carried information directly, each user applies either time switching (TS) or power splitting (PS) to coordinate the energy harvesting (EH) and information decoding (ID) processes. For the TDMA-based information transmission, we employ TS at the receivers; for the OFDMA-based information transmission, we employ PS at the receivers. Under the above two scenarios, we address the problem of maximizing the weighted sum-rate over all users by varying the time/frequency power allocation and either TS or PS ratio, subject to a minimum harvested energy constraint on each user as well as a peak and/or total transmission power constraint. For the TS scheme, by an appropriate variable transformation the problem is reformulated as a convex problem, for which the optimal power allocation and TS ratio are obtained by the Lagrange duality method. For the PS scheme, we propose an iterative algorithm to optimize the power allocation, subcarrier (SC) allocation and the PS ratio for each user. The performances of the two schemes are compared numerically as well as analytically for the special case of single-user setup. It is revealed that the peak power constraint imposed on each OFDM SC as well as the number of users in the system play a key role in the rate-energy performance comparison by the two proposed schemes.

研究动机与目标

• 设计支持同时信息与能量传输的多用户OFDM系统中最优的功率与时频资源分配方案。
• 解决最大化信息速率与确保每个用户最低采集能量之间的权衡问题。
• 比较TDMA中的时隙切换（TS）与OFDMA中的功率分配（PS）在SWIPT系统中的性能表现。
• 在峰值功率与总功率约束下，推导出凸优化解决方案，并满足个体能量采集需求。
• 评估每个子载波的峰值功率与用户数量对TS与PS方案在速率-能量性能方面的影响。

提出的方法

• 在满足个体最小能量采集约束及总功率/峰值功率约束的条件下，建立加权和速率最大化问题。
• 针对TDMA-TS方案，通过变量变换重写问题以实现凸性，进而利用拉格朗日对偶法求解。
• 针对OFDMA-PS方案，提出一种迭代算法，联合优化功率分配、子载波分配与功率分配比例。
• 利用对数速率函数的视角，证明速率表达式在功率与时间/能量分配变量上的联合拟凹性。
• 采用次梯度法与对偶方法高效求解凸优化问题。
• 通过数值结果与单用户情况下的分析比较评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在能量与功率约束下，多用户OFDM系统中SWIPT的时隙切换（TS）在TDMA中的性能与功率分配（PS）在OFDMA中的性能相比如何？
• RQ2 在确保每个用户满足最低能量采集要求的前提下，最大化加权和速率的最优功率与时间/频率资源分配策略是什么？
• RQ3 每个子载波的峰值功率约束与用户数量如何影响TS与PS方案之间的速率-能量权衡？
• RQ4 基于TS的方案能否在实现有效能量采集的同时，达到与传统TDMA相同的频谱效率？
• RQ5 系统参数（如信道增益与能量采集效率）对最优资源分配有何影响？

主要发现

• 基于TS的方案在频谱效率上与传统TDMA相当，但可实现能量采集，因此适用于低能量需求场景。
• 当施加高能量采集需求时，TS方案因需预留专用能量采集时隙而遭受显著速率退化。
• 在高能量需求下，PS方案在和速率方面优于TS方案，原因在于信息解码与能量采集可同时进行。
• 每个子载波的峰值功率约束显著影响性能比较，PS在严格子载波功率限制下更具鲁棒性。
• 系统中用户数量在决定PS相对于TS的性能优势方面起关键作用，PS在用户密集场景中表现出更大增益。
• 所提出的凸优化框架可高效计算最优功率与分配比例，且通过迭代算法可保证收敛。