[論文レビュー] Joint Beamforming And Power Splitting For Multi-User MISO SWIPT System

Qingjiang Shi|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、SINRおよびエネルギー効率の制約のもとで、基地局（BS）の送信電力を最小化するための、マルチユーザーMISO SWIPTシステムにおける最適な連携ビームフォーミングおよびパワースプリッティング（PS）設計を提案する。半定値緩和（SDR）を活用することで、グローバル最適性を達成し、さらにZFBおよびSINR最適ビームフォーミングを用いた低複雑度の部分最適解を提案する。

ABSTRACT

This paper studies a multi-user multiple-input single-output (MISO) downlink system for simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT), in which a set of single-antenna mobile stations (MSs) receive information and energy simultaneously via power splitting (PS) from the signal sent by a multi-antenna base station (BS). We aim to minimize the total transmission power at BS by jointly designing transmit beamforming vectors and receive PS ratios for all MSs under their given signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints for information decoding and harvested power constraints for energy harvesting. First, we derive the sufficient and necessary condition for the feasibility of our formulated problem. Next, we solve this non-convex problem by applying the technique of semidefinite relaxation (SDR). We prove that SDR is indeed tight for our problem and thus achieves its global optimum. Finally, we propose two suboptimal solutions of lower complexity than the optimal solution based on the principle of separating the optimization of transmit beamforming and receive PS, where the zero-forcing (ZF) and the SINR-optimal based transmit beamforming schemes are applied, respectively.

研究の動機と目的

• マルチアンテナ基地局（BS）におけるマルチユーザーMISO下行リンクSWIPTシステムの総送信電力を最小化すること。
• 単一アンテナモバイルステーション（MS）の送信ビームフォーミングベクトルと受信パワースプリッティング（PS）比を連携して設計すること。
• 個々のMSの情報復調（SINR）およびエネルギー効率（回収電力）に関する品質保証（QoS）制約を満たすこと。
• 連携最適化問題の可解性条件を確立すること。
• ビームフォーミングとPS最適化を分離することで、低複雑度の部分最適解を構築すること。

提案手法

• SINRおよび回収電力制約のもとでBS送信電力を最小化する非凸最適化問題を定式化する。
• 最適化問題の可解性に関する必要十分条件を導出する。
• 問題に半定値緩和（SDR）を適用し、緩和がタイトであることを証明することで、グローバル最適性を保証する。
• ゼロフォーリング（ZF）ビームフォーミングと最適化されたPS比を組み合わせた部分最適解を提案し、計算複雑度を低減する。
• SINR最適ビームフォーミングと最適化されたPS比を用いた第二の部分最適解を提案し、性能を向上させる。
• ビームフォーミングとPS最適化問題を逐次的に解き、連携設計を分離することで計算コストを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチユーザーMISO SWIPTシステムにおける連携ビームフォーミングおよびパワースプリッティングの可解性に必要な十分条件は何か？
• RQ2 このSWIPT環境下で、半定値緩和（SDR）は非凸な電力最小化問題に対してグローバル最適解を達成できるか？
• RQ3 低複雑度の代替手法と比較して、SDRに基づく最適解の性能はいかがであるか？
• RQ4 同じシステムにおいて、ZFビームフォーミングとSINR最適ビームフォーミングを用いた部分最適解の性能差は何か？
• RQ5 ビームフォーミングとPS比の連携最適化を、顕著な性能損失を伴わずに効果的に分離できるか？

主な発見

• 提案手法のSDRベースのアプローチは、緩和がタイトであるため、非凸な電力最小化問題に対してグローバル最適性を達成する。
• 連携ビームフォーミングおよびPS設計の可解性条件が導出され、それが必要かつ十分であることが示された。
• ZFビームフォーミングを用いた部分最適解は、最適解に比べて高い送信電力を要するが、計算複雑度が著しく低い。
• SINR最適ビームフォーミングを用いた部分最適解は、ZFベースのバージョンよりも優れた性能を達成しながら、低複雑度を維持している。
• ビームフォーミングとPS比の分離最適化アプローチは、性能と複雑度の実用的なトレードオフを実現している。
• 最適解は、すべてのMSが同時にSINRおよびエネルギー効率要件を満たしていることを保証する。