[論文レビュー] Full-Duplex MIMO-OFDM Communication with Self-Energy Recycling

Ali A. Nasir, Hoang Duong Tuan+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2019

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、リレ一における送信信号および自己干渉からのエネルギー回収を可能にするフルデュプレックスMIMO-OFDMシステムを提案する。閉形式のパワー割り当てを用いた新規のパスフォロwingアルゴリズムによりスペクトル効率を最大化し、従来のソルバーよりも著しく計算複雑性が低減される。これにより、数千の変数を持つ大規模システムにおいて実用的であることが示された。

ABSTRACT

This paper focuses on energy recycling in full-duplex (FD) relaying multiple-input-multiple-output orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) communication. The loop self-interference (SI) due to full-duplexing is seen as an opportunity for the energy-constrained relay node to replenish its energy requirement through wireless power transfer. In forwarding the source information to the destination, the FD relay can simultaneously harvest energy from the source wireless transmission and also through energy recycling from its own transmission. The objective is to maximize the overall spectral efficiency by designing the optimal power allocation over OFDM sub-carriers and transmit antennas. Due to a large number of sub-carriers, this design problem poses a large-scale nonconvex optimization problem involving a few thousand variables of power allocation, which is very computationally challenging. A new path-following algorithm is proposed, which converges to an optimal solution. This algorithm is very efficient since it is based on extit{closed-form} calculations. Numerical results for a practical simulation setting show promising results by achieving high spectral efficiency.

研究の動機と目的

• フルデュプレックスリレ一におけるエネルギー制約の課題を、残余自己干渉をエネルギー源として活用することにより解決すること。
• サブキャリアおよび送信アーリアントごとの最適パワー割り当てを通じて、フルデュプレックスMIMO-OFDMリレ一システムのスペクトル効率を最大化すること。
• 数千のサブキャリアおよびアーリアントパワー変数を含む大規模な非凸最適化問題に対する計算効率の良いソリューションを開発すること。
• 残余自己干渉からの自己エネルギー再利用が、追加のハードウェアを要せずしてシステム性能を顕著に向上させられることを示すこと。

提案手法

• 反復的ソルバーを回避する閉形式計算のみを用いたパスフォロwingアルゴリズムを提案し、最適解に収束させる。
• 逐次凸近似を用いて大規模な非凸最適化問題を凸部分問題の系列に再定式化する。
• 対数不等式（例：ln(1+x) ≤ ln(1+ȳ) + (x−ȳ)/(1+ȳ)）を用いてスペクトル効率式を線形化し、最適化を扱いやすくする。
• 送信信号およびリレ一自身の自己干渉からのエネルギー回収を統合し、残余SIを迷惑要因ではなく電力源として扱う。
• サブキャリアおよびアーリアントパワー割り当てを分離するために双対分解法を適用し、計算を効率化する。
• リレ一が送信信号からエネルギーを回収し、情報伝送中に自身の送信パワーを再利用する実用的な二段階プロトコルを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルデュプレックスMIMO-OFDMシステムにおける残余自己干渉を、リレ一運用のエネルギー源として効果的に再利用できるか？
• RQ2 大規模な非凸最適化問題の下で、サブキャリアおよび送信アーリアント間の最適パワー割り当てをどのように達成できるか？
• RQ3 提案されたパスフォロwingアルゴリズムは、CVXのような従来のソルバーよりも、大規模問題においてどの程度計算上の利点を有するか？
• RQ4 スペクトル効率および収束速度の観点から、提案アルゴリズムはDCIベース最適化などのベンチマーク手法と比較してどの程度の性能を示すか？
• RQ5 提案手法は、チャネル推定誤差やハードウェア制限を伴う実世界システムにおいて実装可能か？

主な発見

• 提案されたパスフォロwingアルゴリズムは、DCIベース手法（CVXで解いたもの）と同等のスペクトル効率を達成し、小規模問題（K=16サブキャリア）でも同程度の性能を示す。
• 反復的凸最適化に依存するCVXによるDCI問題の解法と比較して、閉形式計算に依存する本手法は、(KN)³倍程度の高速化が達成される。
• K=16サブキャリア系において、本アルゴリズムは平均25.8回の反復で収束し、DCI手法の25.7回とほぼ同等の反復回数を示すが、1反復あたりの計算複雑性は著しく低減されている。
• 数値結果から、高いスペクトル効率が得られ、ベースラインの等パワー割り当て戦略を顕著に上回ることが示された。
• 本手法は計算効率が高く、スケーラブルであるため、数千の変数を持つ大規模MIMO-OFDMシステムに適している。
• 本手法は頑健であり、5Gニュー・ラジオシステムへの応用も可能で、変更されたOFDM波形を用いることで拡張可能であるため、実用的応用性が非常に高い。