Deep Learning–Based Energy Beamforming With Transmit Power Control in Wireless Powered Communication Networks
- 1. ORCID
- 2. University of Ulsan
- 3. Hue University
Description
In this paper, we propose deep learning–based energy beamforming in a multi-antennae wireless powered communication network (WPCN). We consider a WPCN where a hybrid access point (HAP) equipped with multiple antennae broadcasts an energy-bearing signal to wireless devices using energy beamforming. We investigate the joint optimization of the time allocation for wireless energy transfer (WET) and wireless information transfer (WIT) with the design for energy beams while minimizing the transmit power at the HAP for efficient use of its available resources. However, this is a non-convex problem, and it is numerically intractable to solve it. In the literature, the traditional approach to solving this problem is based on an iterative algorithm that incurs high computational and time complexity, which is not feasible for real-time applications. We study and analyze a deep neural network (DNN)-based scheme and propose a faster and more efficient approach for the fair approximation of a near-optimal solution to this problem. To train the proposed DNN, we acquire training data samples from a sequential parametric convex approximation (SPCA)-based iterative algorithm. Instead of acquiring data samples and training the DNN, which is highly complex, we use offline training for the DNN to provide a faster solution to the real-time resource allocation optimization problem. Through the simulation results, we show the proposed DNN scheme provides a fair approximation of the traditional SPCA method with low computational and time complexity.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
في هذه الورقة، نقترح تشكيل شعاع الطاقة القائم على التعلم العميق في شبكة اتصالات تعمل بالطاقة اللاسلكية متعددة الهوائيات (WPCN). نحن نعتبر WPCN حيث تبث نقطة الوصول الهجينة (HAP) المجهزة بهوائيات متعددة إشارة حاملة للطاقة إلى الأجهزة اللاسلكية باستخدام تشكيل شعاع الطاقة. نقوم بالتحقيق في التحسين المشترك لتخصيص الوقت لنقل الطاقة اللاسلكية (WET) ونقل المعلومات اللاسلكية (WIT) مع تصميم حزم الطاقة مع تقليل طاقة الإرسال في HAP للاستخدام الفعال لمواردها المتاحة. ومع ذلك، فهذه مشكلة غير محدبة، ومن الصعب حلها عدديًا. في الأدبيات، يعتمد النهج التقليدي لحل هذه المشكلة على خوارزمية تكرارية تتكبد تعقيدًا حسابيًا ووقتًا عاليًا، وهو أمر غير ممكن للتطبيقات في الوقت الفعلي. ندرس ونحلل مخططًا قائمًا على الشبكة العصبية العميقة (DNN) ونقترح نهجًا أسرع وأكثر كفاءة للتقريب العادل لحل شبه مثالي لهذه المشكلة. لتدريب DNN المقترح، نحصل على عينات بيانات التدريب من خوارزمية تقريبية محدبة متسلسلة (SPCA). بدلاً من الحصول على عينات البيانات وتدريب DNN، وهو أمر معقد للغاية، نستخدم التدريب غير المتصل بالإنترنت لـ DNN لتوفير حل أسرع لمشكلة تخصيص الموارد في الوقت الفعلي. من خلال نتائج المحاكاة، نعرض مخطط DNN المقترح الذي يوفر تقريبًا عادلًا لطريقة SPCA التقليدية مع تعقيد حسابي ووقتي منخفض.Translated Description (French)
Dans cet article, nous proposons la formation de faisceaux d'énergie basée sur l'apprentissage profond dans un réseau de communication sans fil multi-antennes (WPCN). Nous considérons un WPCN où un point d'accès hybride (HAP) équipé de plusieurs antennes diffuse un signal porteur d'énergie vers des dispositifs sans fil en utilisant la formation de faisceaux d'énergie. Nous étudions l'optimisation conjointe de l'allocation de temps pour le transfert d'énergie sans fil (WET) et le transfert d'informations sans fil (WIT) avec la conception de faisceaux d'énergie tout en minimisant la puissance de transmission au HAP pour une utilisation efficace de ses ressources disponibles. Cependant, il s'agit d'un problème non convexe, et il est numériquement insoluble de le résoudre. Dans la littérature, l'approche traditionnelle pour résoudre ce problème est basée sur un algorithme itératif qui implique une grande complexité de calcul et de temps, ce qui n'est pas faisable pour les applications en temps réel. Nous étudions et analysons un schéma basé sur un réseau neuronal profond (DNN) et proposons une approche plus rapide et plus efficace pour l'approximation équitable d'une solution quasi-optimale à ce problème. Pour entraîner le DNN proposé, nous acquérons des échantillons de données d'entraînement à partir d'un algorithme itératif basé sur l'approximation paramétrique convexe séquentielle (SPCA). Au lieu d'acquérir des échantillons de données et de former le DNN, ce qui est très complexe, nous utilisons la formation hors ligne pour le DNN afin de fournir une solution plus rapide au problème d'optimisation de l'allocation des ressources en temps réel. À travers les résultats de simulation, nous montrons que le schéma DNN proposé fournit une approximation équitable de la méthode SPCA traditionnelle avec une faible complexité de calcul et de temps.Translated Description (Spanish)
En este documento, proponemos la formación de haces de energía basada en el aprendizaje profundo en una red de comunicación inalámbrica de múltiples antenas (WPCN). Consideramos una WPCN en la que un punto de acceso híbrido (HAP) equipado con múltiples antenas transmite una señal portadora de energía a dispositivos inalámbricos mediante formación de haz de energía. Investigamos la optimización conjunta de la asignación de tiempo para la transferencia inalámbrica de energía (WET) y la transferencia inalámbrica de información (WIT) con el diseño de haces de energía, al tiempo que minimizamos la potencia de transmisión en el HAP para un uso eficiente de sus recursos disponibles. Sin embargo, este es un problema no convexo, y es numéricamente intratable resolverlo. En la literatura, el enfoque tradicional para resolver este problema se basa en un algoritmo iterativo que incurre en una alta complejidad computacional y temporal, lo que no es factible para aplicaciones en tiempo real. Estudiamos y analizamos un esquema basado en una red neuronal profunda (DNN) y proponemos un enfoque más rápido y eficiente para la aproximación justa de una solución casi óptima a este problema. Para entrenar la DNN propuesta, adquirimos muestras de datos de entrenamiento de un algoritmo iterativo basado en aproximación convexa paramétrica secuencial (SPCA). En lugar de adquirir muestras de datos y entrenar a la DNN, que es altamente compleja, utilizamos el entrenamiento fuera de línea para la DNN para proporcionar una solución más rápida al problema de optimización de la asignación de recursos en tiempo real. A través de los resultados de la simulación, mostramos que el esquema DNN propuesto proporciona una aproximación justa del método SPCA tradicional con baja complejidad computacional y temporal.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تشكيل شعاع الطاقة القائم على التعلم العميق مع التحكم في طاقة الإرسال في شبكات الاتصالات اللاسلكية التي تعمل بالطاقة
- Translated title (French)
- Formation de faisceaux d'énergie basée sur l'apprentissage profond avec contrôle de la puissance de transmission dans les réseaux de communication alimentés sans fil
- Translated title (Spanish)
- Formación de haces de energía basada en el aprendizaje profundo con control de potencia de transmisión en redes de comunicación inalámbricas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3208256233
- DOI
- 10.1109/access.2021.3121724
References
- https://openalex.org/W2018857611
- https://openalex.org/W2055848163
- https://openalex.org/W2058705882
- https://openalex.org/W2081071884
- https://openalex.org/W2094000142
- https://openalex.org/W2100573451
- https://openalex.org/W2106194367
- https://openalex.org/W2118588134
- https://openalex.org/W2368975782
- https://openalex.org/W2510786844
- https://openalex.org/W2546302380
- https://openalex.org/W2592853810
- https://openalex.org/W2616867685
- https://openalex.org/W2739079535
- https://openalex.org/W2804075771
- https://openalex.org/W2885238370
- https://openalex.org/W2890391580
- https://openalex.org/W2895371744
- https://openalex.org/W2901096892
- https://openalex.org/W2902952649
- https://openalex.org/W2918838963
- https://openalex.org/W2920945755
- https://openalex.org/W2966020011
- https://openalex.org/W2979330753
- https://openalex.org/W2983618830
- https://openalex.org/W3000290725
- https://openalex.org/W3040348674
- https://openalex.org/W3045154783
- https://openalex.org/W3091934141
- https://openalex.org/W3099684761
- https://openalex.org/W3100719938
- https://openalex.org/W3112604001
- https://openalex.org/W3116010137
- https://openalex.org/W3130347654
- https://openalex.org/W3180655962
- https://openalex.org/W3194542765
- https://openalex.org/W4297736277