[論文レビュー] Harvesting the (Self-)Interference in Heterogeneous Full-Duplex Networks For Joint Rate-Energy Optimization.

Ali Kariminezhad, Aydin Sezgin|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 41被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、自己干渉と同チャンネル干渉をエネルギー源として活用しながら、残存自己干渉と雑音を管理する、異種フルデュプレックス多アンテナネットワークにおける連携レート・エネルギー最適化フレームワークを提案する。主な貢献は、スペクトル効率とRFエネルギー回収の両方を最大化するビームフォーミングおよびリソース割り当て戦略であり、干渉がレート性能を低下させることなくエネルギー供給を強化できることを示している。

ABSTRACT

Wireless nodes in future communication systems are expected to overcome three barriers when compared to their transitional counterparts, namely to support significantly higher data rates, have long-lasting energy supplies and remain fully operational in interference-limited heterogeneous networks. This could be achieved by providing three promising features, which are radio frequency (RF) energy harvesting, improper Gaussian signaling and operating in full-duplex communication mode, i.e., transmit and receive at the same time within the same frequency band. In this paper, we consider these aspects jointly in a multiantenna heterogeneous two-tier-network. Thus, the users in the femto-cell are sharing the scarce resources with the cellular users in the macro-cell and have to cope with the interference from the macro-cell base station as well as the transmitter noise and residual self-interference (RSI) due to imperfect fullduplex operation. Interestingly enough, while these impairments are detrimental from the achievable rate perspective, they are beneficial from the energy harvesting aspect as they carry RF energy. In this paper, we consider this natural trade-off jointly and propose appropriate optimization problems for beamforming and optimal resource allocation. Various receiver structures are employed for both information detection (ID) and energy harvesting (EH) capabilities. The paper aims at characterizing the tradeoff between the achievable rates and harvested energies. Rate and energy maximization problems are thoroughly investigated. Finally, the numerical illustrations demonstrate the impact of the energy harvesting on the achievable rate performance.

研究の動機と目的

• 将来の無線ネットワークにおける高いデータレートの支援、長期的なエネルギー持続可能性、干渉制限環境下での運用を課題とする。
• 半二重モードシステムの制限を克服するため、フルデュプレックス通信、RFエネルギー回収、不適切なガウス信号を統合する。
• マクロセルとフェムトセルからなる二段階異種ネットワークにおいて、スペクトル効率とエネルギー回収の両立を図るビームフォーミングおよびリソース割り当てを最適化する。
• 実現可能なデータレートと回収エネルギーのトレードオフを特定する。特に、自己干渉と同チャンネル干渉をエネルギー源として活用する。
• 残存自己干渉と雑音が情報復調およびエネルギー回収性能に与える影響を調査する。

提案手法

• フルデュプレックスマクロ基地局およびフェムト基地局を備えた二段階異種ネットワークにおけるビームフォーミングおよびリソース割り当ての連携最適化問題を定式化する。
• フルデュプレックス制約下でスペクトル効率とエネルギー回収性能を向上させるために、不適切なガウス信号を採用する。
• 残存自己干渉（RSI）と同チャンネル干渉を、ユーザーにおけるエネルギー回収のRFエネルギー源としてモデル化する。
• フェムトユーザーにおける同時情報復調（ID）とエネルギー回収（EH）を可能にするハイブリッド受信機構造を設計する。
• 品質保証および電力制約下で、レート最大化およびエネルギー回収最大化問題を解くために凸最適化技術を用いる。
• 複数の受信機構成を分析し、情報レートと回収エネルギーのトレードオフを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルデュプレックスシステムにおける残存自己干渉と同チャンネル干渉を、スペクトル効率を低下させることなくエネルギー回収に活用する方法は何か？
• RQ2 異種二段階ネットワークにおいて、実現可能なデータレートと回収エネルギーのトレードオフを最適化するビームフォーミングおよびリソース割り当て戦略は何か？
• RQ3 情報復号（ID）とエネルギー回収（EH）の両方を実行するための異なる受信機構造は、レートとエネルギーの性能トレードオフにどのように影響するか？
• RQ4 残存自己干渉は、フルデュプレックスネットワークにおける連携レート・エネルギー最適化にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 干渉を、有害要因から有益なエネルギー源へと変換できる程度はどの程度か、フルデュプレックス異種ネットワークにおいて検討する。

主な発見

• 通常は障害要因と見なされる残存自己干渉と同チャンネル干渉が、RFエネルギー回収のための効果的なエネルギー源として活用可能である。
• 提案されたビームフォーミングおよびリソース割り当て戦略により、スペクトル効率とエネルギー回収ゲインの両面で顕著なトレードオフ改善が達成された。
• ビームフォーミングとリソース割り当ての連携最適化により、データレートとエネルギー回収性能の両方が同時に向上した。
• 数値結果から、エネルギー回収能力の向上が、特に干渉制限環境下で全体のシステム性能を向上させることを示している。
• 不適切なガウス信号の使用により、スペクトル効率が向上すると同時にエネルギー回収が可能となり、両目的の相乗効果が実証された。
• 受信機設計は、レート・エネルギーのトレードオフに顕著な影響を及ぼし、ハイブリッドID/EH構造は、連携最適化シナリオにおいて従来の受信機を上回る性能を示した。