[論文レビュー] Joint Wireless Information and Energy Transfer in a K-User MIMO Interference Channel

Jaehyun Park, Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、KユーザMIMO干渉チャネルにおける連携無線情報・エネルギー伝送（JWIET）フレームワークを提案する。送信機は情報検出（ID）とエネルギー回収（EH）の両方のためのビームフォーミングを行う。全エネルギー送信ユーザに対してランク1のビームフォーミング戦略を導入し、レート・エネルギートレードオフを最適化する反復的アルゴリズムを提示。さらに、干渉とエネルギー回収のバランスを取ることで、MEBおよびMLB手法を上回る性能を示す、信号対漏れおよび回収エネルギー比（SLER）に基づくビームフォーミング方式を提案。特に送信機数が増加する際の性能向上が顕著である。

ABSTRACT

Recently, joint wireless information and energy transfer (JWIET) methods have been proposed to relieve the battery limitation of wireless devices. However, the JWIET in a general K-user MIMO interference channel (IFC) has been unexplored so far. In this paper, we investigate for the first time the JWIET in K-user MIMO IFC, in which receivers either decode the incoming information data (information decoding, ID) or harvest the RF energy (energy harvesting, EH). In the K-user IFC, we consider three different scenarios according to the receiver mode -- i) multiple EH receivers and a single ID receiver, ii) multiple IDs and a single EH, and iii) multiple IDs and multiple EHs. For all scenarios, we have found a common necessary condition of the optimal transmission strategy and, accordingly, developed the transmission strategy that satisfies the common necessary condition, in which all the transmitters transferring energy exploit a rank-one energy beamforming. Furthermore, we have also proposed an iterative algorithm to optimize the covariance matrices of the transmitters that transfer information and the powers of the energy beamforming transmitters simultaneously, and identified the corresponding achievable rate-energy tradeoff region. Finally, we have shown that by selecting EH receivers according to their signal-to-leakage-and-harvested energy-ratio (SLER), we can improve the achievable rate-energy region further.

研究の動機と目的

• 現代のマルチユーザ無線システムにおける重要なギャップである、一般のKユーザMIMO干渉チャネル（IFC）における連携無線情報およびエネルギー伝送（JWIET）ソリューションの不足に対処すること。
• 複数のEHおよび1つのID、複数のIDおよび1つのEH、およびID/EHの混合受信機の3つの異なる受信機設定におけるJWIETを調査すること。
• すべてのシナリオに共通する最適伝送戦略の必要条件を特定し、エネルギービームフォーミング構造に注目すること。
• レート・エネルギートレードオフの最大化を目的とした、情報共分散行列とエネルギービームフォーミングパワーの共同最適化を実現する反復的アルゴリズムを開発すること。
• 特に干渉制限下の環境で性能を向上させるために、SLERに基づくEH受信機選択手法を提案すること。

提案手法

• 受信機がIDモードとEHモードを時間分割で切り替えて動作すると仮定し、同時動作はないとする。KユーザMIMO IFCにおけるJWIET問題を定式化する。
• 最適伝送のための共通する必要条件を導出：受信機設定に関わらず、エネルギー送信機はすべてランク1のビームフォーミングを使用する必要がある。
• 非凸最適化問題として定式化された、達成可能なレート・エネルギー領域の最大化を目的とした反復的アルゴリズムを設計。情報ビームフォーマーとエネルギービームフォーミングパワーの両方を共同最適化する。
• 3つのビームフォーミング戦略を導入：最大エネルギービームフォーミング（MEB）、最小漏れビームフォーミング（MLB）、およびSLER最大化ビームフォーミング。SLERは、目的信号パワーを干渉＋回収エネルギーで割った比として定義される。
• SLERベースの方式では、チャネル行列ペアの一般化特異値分解（GSVD）を用いてビームフォーミングベクトルを更新することでビームチルトを実装し、干渉低減を図る。
• 干渉対回収エネルギー比が良好な受信機を優先するSLERに基づく受信機選択手法を提案。これにより、全体のシステム性能が向上する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混合IDおよびEH受信機を有する一般のKユーザMIMO干渉チャネルにおけるJWIETの最適伝送戦略は何か？
• RQ2 受信機設定（単一ID、単一EH、または混合）が異なる場合、最適エネルギービームフォーミング構造はどのように変化するか？
• RQ3 すべてのKユーザMIMO IFCシナリオに共通する最適JWIET戦略の統一された必要条件を導出できるか？
• RQ4 SLERベースのビームフォーミング戦略は、MEBおよびMLBと比較して、レート・エネルギートレードオフ性能でどのように差をつけるか？
• RQ5 エネルギー送信機数が増加する場合、ビーム指向性およびパワー制御がシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• 3つのシナリオ（複数のEHおよび1つのID、複数のIDおよび1つのEH、混合）における最適伝送戦略は、すべてエネルギー送信機でランク1のビームフォーミングを要する。これは、共通の必要条件を確立する。
• SLER最大化ビームフォーミング方式は、MEBおよびMLBの両方を上回る広いレート・エネルギートレードオフ領域を達成し、情報レートと回収エネルギーの両面でバランスの取れた性能を発揮する。
• 干渉制限下のシステム（情報送信機数が多い）では、最適エネルギービームフォーミング戦略はMEBに収束し、エネルギー回収を最優先する。
• エネルギー送信機数が増加する際、ビームステアリングとパワー制御が重要になる。GSVDに基づく更新によるビームチルトは、特にKが大きい場合に性能向上をもたらす。
• 提案されたSLERベースのEH受信機選択手法により、良好なSLER値を持つ受信機を選択することで、達成可能なレート・エネルギー領域が向上する。
• シミュレーションでは、α = 0.9のSLERビームフォーミングにおけるビームチルトが、パワーのみの割り当てに比べて顕著に性能向上を示す。特に(K, K₁) = (5,4)のケースで、ビーム方向とパワーの共同最適化の重要性が明確に示された。