[论文解读] Wireless Power Meets Energy Harvesting: A Joint Energy Allocation Approach

Xun Zhou, Chin Keong Ho+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 2

一句话总结

本文提出了一种正交频 division multiplexing（OFDM）无线能量通信网络中的联合时频资源与功率分配策略，其中用户从接入点获取能量以向目的地传输数据。通过利用完整或因果信道状态信息（CSI），该方法通过离线与在线优化算法最大化目的地的数据速率，相较于传统方案实现了显著的速率增益。

ABSTRACT

This paper investigates an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)-based wireless powered communication system, where one user harvests energy from an energy access point (EAP) to power its information transmission to a data access point (DAP). The channels from the EAP to the user, i.e., the wireless energy transfer (WET) link, and from the user to the DAP, i.e., the wireless information transfer (WIT) link, vary over both time slots and sub-channels (SCs) in general. To avoid interference at DAP, WET and WIT are scheduled over orthogonal SCs at any slot. Our objective is to maximize the achievable rate at the DAP by jointly optimizing the SC allocation over time and the power allocation over time and SCs for both WET and WIT links. Assuming availability of full channel state information (CSI), the structural results for the optimal SC/power allocation are obtained and an offline algorithm is proposed to solve the problem. Furthermore, we propose a low-complexity online algorithm when causal CSI is available.

研究动机与目标

• 在基于OFDM的无线供能通信系统中，最大化数据接入点（DAP）的可实现数据速率。
• 解决能量传输（WET）与信息传输（WIT）链路中时变且频率选择性衰落信道的挑战。
• 联合优化时间与子载波上的子载波分配，以及时隙与子载波上的功率分配，适用于WET与WIT链路。
• 在完整信道状态信息（CSI）下设计离线算法，在因果CSI下设计低复杂度在线算法。
• 通过在每个时隙对WET与WIT使用正交子载波，确保在DAP处避免干扰。

提出的方法

• 构建一个联合优化问题，针对时隙与子载波上的子载波与功率分配，以最大化DAP的可实现速率。
• 利用凸优化技术，推导在完整CSI下最优解的结构特性。
• 提出一种离线算法，通过利用推导出的最优性条件求解联合优化问题。
• 设计一种低复杂度在线算法，通过采用贪心子载波分配与功率控制策略，适应因果CSI。
• 在每个时隙强制实施WET与WIT子载波之间的正交性，以防止在DAP处产生干扰。
• 在子载波特定的信道增益下，对WET与WIT链路应用类似水填充的功率分配原则。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化子载波与功率分配，以在基于OFDM的无线供能通信系统中最大化数据速率？
• RQ2 在完整CSI下，最优子载波与功率分配的结构特性是什么？
• RQ3 当仅能获得因果CSI时，如何高效求解该优化问题？
• RQ4 与传统的正交或固定分配方案相比，联合优化可实现多大的性能增益？
• RQ5 所提出的在线算法在时变信道条件下如何维持高数据速率？

主要发现

• 最优子载波分配根据信道增益将子载波分配给WET或WIT，其阈值规则由Karush-Kuhn-Tucker条件推导得出。
• 最优功率分配在子载波与时隙上呈现水填充结构，优先分配给信道条件更优的子载波。
• 离线算法通过凸松弛与对偶分解方法求解联合优化问题，实现全局最优速率。
• 在线算法在显著降低复杂度的同时实现近似最优性能，适用于实时实现。
• 数值结果表明，联合优化在可实现速率方面优于传统方案，尤其在频率选择性衰落环境中表现更优。
• 当WET与WIT信道表现出强频率选择性与时变特性时，性能增益最为显著。