In this work, we study a multi-user wireless powered communication network (WPCN), where a multi-antenna base station (BS) sends an energy signal to multiple single-antenna users equipped with non-linear energy harvesting (EH) circuits. The users, in turn, harvest energy from the received signal and utilize it for information transmission in the uplink. Furthermore, to jointly optimize the energy signal waveform and downlink beamforming, we assume that the BS broadcasts a pulse-modulated signal employing multiple energy signal vectors. We formulate an optimization problem for the joint design of the downlink transmit energy signal vectors, their number, the durations of the transmit pulses, and the time allocation policy for minimization of the average transmit power at the BS. We show that for single-user WPCNs, a single energy signal vector, which is collinear with the maximum ratio transmission (MRT) vector and drives the EH circuit at the user device into saturation, is optimal. Next, for the general multi-user case, we show that the optimal signal design requires a maximum number of energy signal vectors that exceeds the number of users by one and propose an algorithm to obtain the optimal energy signal vectors. Since the complexity of the optimal design is high, we also propose two suboptimal schemes for WPCN design. First, for asymptotic massive WPCNs, where the ratio of the number of users to the number of BS antennas, i.e., the system load, tends to zero, we show that the optimal downlink transmit signal can be obtained in closed-form and comprises a sequence of weighted sums of MRT vectors. Next, based on this result, for general WPCNs with finite system loads, we propose a suboptimal closed-form MRT-based design and a suboptimal semidefinite relaxation (SDR)-based scheme.


翻译:在这项工作中,我们研究多用户无线电动通信网络(WPCN),多ANTENNA基站(BS)向配备非线性能源收集电路的多个单线性安特纳用户发出能源信号。用户反过来从接收信号中收获能源,并在上链接中将其用于信息传输。此外,为了联合优化能量信号波形和下链接波形,我们假设BS使用多个能量信号矢量,播放脉冲调信号。我们为联合设计下链接传输能源信号矢量、其数量、传输脉冲持续时间以及最大限度地减少BS平均传输能量电源的时间分配政策,我们显示,对于单用户而言,一个单一能量信号信号矢量,即与最大比率传输(MRT)矢量矢量矢量矢量矢量的联线性,将基于用户装置的电路路路通通到饱和度。接着,对于一般多用户来说,我们显示,最优化的通信量、最优化的通信量、最优化的能量矢量、最优化的能量矢量系统向下流系统向下传输。

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