[論文レビュー] Joint Transceiver Design Algorithms for Multiuser MISO Relay Systems with Energy Harvesting

Yunlong Cai, Minjian Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、同時無線情報・電力伝送（SWIPT）を備えたマルチユーザーMISOリレーシステムにおける共同受信機設計アルゴリズムを提案し、SINR制約およびエネルギー回収制約の下で総送信電力を最小化するようにビームフォーミング、リレーアンプリフィケーション、および電力分割比を最適化する。収束が保証される逐次的最適化に基づくアルゴリズムと、複雑さを低減しながら性能を維持する新しいスイッチドリレーシステムを導入し、チャネル状態情報の誤差に対してもロバストであることをシミュレーションで検証した。

ABSTRACT

In this paper, we investigate a multiuser relay system with simultaneous wireless information and power transfer. Assuming that both base station (BS) and relay station (RS) are equipped with multiple antennas, this work studies the joint transceiver design problem for the BS beamforming vectors, the RS amplify-and-forward transformation matrix and the power splitting (PS) ratios at the single-antenna receivers. Firstly, an iterative algorithm based on alternating optimization (AO) and with guaranteed convergence is proposed to successively optimize the transceiver coefficients. Secondly, a novel design scheme based on switched relaying (SR) is proposed that can significantly reduce the computational complexity and overhead of the AO based designs while maintaining a similar performance. In the proposed SR scheme, the RS is equipped with a codebook of permutation matrices. For each permutation matrix, a latent transceiver is designed which consists of BS beamforming vectors, optimally scaled RS permutation matrix and receiver PS ratios. For the given CSI, the optimal transceiver with the lowest total power consumption is selected for transmission. We propose a concave-convex procedure based and subgradient-type iterative algorithms for the non-robust and robust latent transceiver designs. Simulation results are presented to validate the effectiveness of all the proposed algorithms.

研究の動機と目的

• マルチユーザーMISOリレーシステムにおけるSWIPTを備えた環境で、受信機が信号を情報復元とエネルギー回収の両方に分割する条件下で、総送信電力を最小化すること。
• サービス品質およびエネルギー回収制約の下で、基地局のビームフォーミングベクトル、リレーのアンプリファイ・フォワーディング行列、受信機の電力分割比を共同最適化すること。
• チャネル状態情報（CSI）の量子化誤差に対処するため、半定値緩和とSプロシージャを用いたロバスト設計を開発すること。
• 置換行列のコードブックから最良の受信機を選択するスイッチドリレー（SR）方式を導入し、反復的アルゴリズムの計算複雑度を低減すること。

提案手法

• 逐次凸近似を用いて収束が保証される交互最適化（AO）に基づくアルゴリズムを開発し、ビームフォーミング、リレー予めい、および電力分割比を反復的に最適化する。
• CSIの量子化誤差を扱うロバスト設計では、半定値緩和（SDR）とSプロシージャを用い、不確実性下でも妥当な解が得られることを保証する。
• スイッチドリレー（SR）方式を提案し、リレーが置換行列のコードブックから最良の受信機を選択する。各置換行列は、潜在的な受信機設計に関連付けられている。
• SR方式の各候補に対して、凹凸凸法（CCCP）および勾配ベースのアルゴリズムを用いて、非凸最適化問題であるビームフォーミング、リレー行列、およびPS比を解く。
• 最適化問題を二次錐計画（SOCP）として再定式化し、効率的な計算を可能にする。SINR制約およびエネルギー回収制約は、すべて二次錐制約として表現される。
• ランダム化を用いたランク1回復法により、緩和された解から妥当なビームフォーミングベクトルを回復し、設計の実用性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチユーザーMISOリレーシステムにおけるSWIPTを備えた共同受信機設計問題を、SINR制約およびエネルギー回収制約の下で総送信電力を最小化する形にどのように定式化できるか？
• RQ2 不完全なチャネル状態情報下で、受信機設計の収束性とロバスト性を確保する最も効果的な方法は何か？
• RQ3 スイッチドリレー方式は、反復的最適化手法と同等の性能を維持しつつ、計算複雑度を顕著に低減できるか？
• RQ4 電力分割比が、マルチユーザーリレーシステムにおける情報復元とエネルギー回収のトレードオフに与える影響は何か？
• RQ5 提案されたSOCPベースの再定式化は、既存のSDRおよびSOCP緩和手法と比較して、性能と複雑度の面でどのように異なるか？

主な発見

• AOに基づくアルゴリズムは収束が保証され、SINRおよびエネルギー回収制約下で総送信電力を効果的に最小化する。
• SDRとSプロシージャを用いたロバスト設計は、CSIの量子化誤差が存在する状況でも妥当性と性能を維持し、チャネル不確実性に対して強い。
• スイッチドリレー（SR）方式は計算複雑度を顕著に低減しながら、AOに基づく手法と同等の性能を達成し、実用的導入に適している。
• シミュレーション結果は、提案されたSR方式が信号伝送のオーバーヘッドと処理遅延を著しく削減しつつ、ほぼ最適性能を達成できることを確認した。
• SOCP再定式化により非凸問題が効率的に解け、CCCPベースのアルゴリズムは高い信頼性で局所最適解に収束した。
• ランク1回復法により、緩和された解から妥当なビームフォーミングベクトルが成功裏に回復され、設計の実用的適用性が保証された。