[論文レビュー] Multi-Objective Beamforming for Energy-Efficient SWIPT Systems

Shiyang Leng, Derrick Wing Kwan Ng+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、不完全なチャネル状態情報と各アンテナの回路消費電力制約を考慮したエネルギ効率的な同時無線情報・電力伝送（SWIPT）システムのためのマルチ目的ビームフォーミングフレームワークを提案する。非凸問題はランク制約付き半定値計画（SDP）に変換され、SDP緩和を用いて解かれる。これにより、情報効率とエネルギー効率の間のトレードオフが明らかとなり、複数の送信アンテナによってそのトレードオフが軽減される。

ABSTRACT

In this paper, we study the resource allocation algorithm design for energy-efficient simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) systems. The considered system comprises a transmitter, an information receiver, and multiple energy harvesting receivers equipped with multiple antennas. We propose a multi-objective optimization framework to study the trade-off between the maximization of the energy efficiency of information transmission and the maximization of wireless power transfer efficiency. The proposed problem formulation takes into account the per antenna circuit power consumption of the transmitter and the imperfect channel state information of the energy harvesting receivers. The adopted non-convex multi-objective optimization problem is transformed into an equivalent rank-constrained semidefinite program (SDP) and optimally solved by SDP relaxation. Numerical results unveil an interesting trade-off between the considered conflicting system design objectives and reveal the benefits of multiple transmit antennas for improving system energy efficiency.

研究の動機と目的

• SWIPTシステムにおいて、情報伝送のエネルギ効率を最大化するという設計目標と、無線電力伝送効率を最大化するという設計目標の対立を解消すること。
• 現実的なシステムモデル化のため、各アンテナの回路消費電力と送信機における不完全なチャネル状態情報（CSI）を組み込むこと。
• スペクトル効率とエネルギー効率の両方をバランスさせるために、マルチ目的最適化を通じて共同リソース割り当てアルゴリズムを開発すること。
• 非凸なマルチ目的問題に対して、半定値計画（SDP）緩和を用いて最適解を提供すること。
• 情報効率とエネルギー効率のトレードオフを定量化し、複数の送信アンテナがシステム性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 情報伝送のエネルギ効率とエネルギー転送効率の両方を最大化する非凸なマルチ目的最適化問題を定式化する。
• ラグランジュ双対性とカールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を用いて、問題を同等のランク制約付き半定値計画（SDP）に変換する。
• SDP緩和を適用して取り扱いやすい解を得る。ランク1のビームフォーミング構造が成り立つ場合、最適性が保証される。
• 補完性スラックネスと行列ランク解析を用いて最適ビームフォーミング構造を導出する。情報エネルギー効率を優先する場合には、エネルギー用ビームフォーミングがゼロとなる。
• 双対変数と行列分解を用いて、両目的が有効な場合、情報伝送用のビームフォーミング行列は常にランク1であることを示す。
• 2段階最適化を採用する。まず緩和されたSDPを解き、次にランク最小化によりランク1解の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SWIPTシステムにおいて、情報エネルギー効率を最大化することと、無線電力伝送効率を最大化することの間には、根本的なトレードオフが存在するか？
• RQ2 送信機における不完全なチャネル状態情報（CSI）は、SWIPTシステムにおけるエネルギ効率的ビームフォーミング設計にどのように影響を与えるか？
• RQ3 情報とエネルギー効率を両方とも最適化する場合、最適なビームフォーミング構造は何か？
• RQ4 各アンテナの回路消費電力は、システム全体のエネルギ効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 複数の送信アンテナは、SWIPTシステムにおける情報効率とエネルギー効率のトレードオフをどの程度改善するか？

主な発見

• 情報エネルギー効率を最大化することと、無線電力伝送効率を最大化することの間には、非自明なトレードオフが存在し、単一目的最適化では解消できない。
• 両目的を考慮する場合、最適ビームフォーミング解では、情報用ビームのみが使用され、エネルギー用ビームフォーミング行列はゼロとなる。
• 両目的が有効な場合、情報伝送用ビームフォーミング行列は常にランク1であることが保証され、最適なエネルギ効率が達成される。
• 提案されたSDP緩和アプローチにより最適解が得られ、双対変数行列のランクがビームフォーミング構造を示す。
• 複数の送信アンテナは、情報伝送とエネルギー転送の間のトレードオフの管理を改善することで、システムのエネルギ効率を顕著に向上させる。
• 数値結果により、提案手法が単一目的のベンチマークよりも優れた性能を達成することが確認され、特に高SNR領域で顕著である。