[論文レビュー] Optimal Transmit Power Allocation for MIMO Two-Way Cognitive Relay Networks with Multiple Relays

Ahmad Alsharoa, Hakim Ghazzai+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2013

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、主ユーザの干渉と送信パワー制約の下で、複数のアンプリファイア・アンド・フォワードリレーやMIMO双方向認知リレーアーキテクチャを備えたネットワークにおける最適なパワー割り当て方式を提案する。凸最適化を用いて導出された解析的解は、アンテナ数やリレーカウントを増加させることでスペクトル効率が著しく向上することを示しており、高パワー制約下では1アンテナから4アンテナに変更した場合に180%のデータレート向上が観測された。

ABSTRACT

In this letter, we consider a multiple-input multiple-output two-way cognitive radio system under a spectrum sharing scenario, where primary and secondary users operate on the same frequency band. The secondary terminals aims to exchange different messages with each other using multiple relays where each relay employs an amplify-and-forward strategy. The main objective of our work is to maximize the secondary sum rate allowed to share the spectrum with the primary users by respecting a primary user tolerated interference threshold. In this context, we derive a closed-form expression of the optimal power allocated to each antenna of the terminals. We then discuss the impact of some system parameters on the performance in the numerical result section.

研究の動機と目的

• 複数のアンプリファイア・アンド・フォワードリレーを備えたMIMO双方向認知リレーネットワークにおける二次スループットを最大化すること。
• 主ユーザのサービス品質を確保するため、二次ネットワークに対する干渉しきい値制約を課すこと。
• 二次端末の個々のアンテナにおける最適パワー割り当ての閉形式解析的解を導出すること。
• リレー数、アンテナ数、パワー予算などのシステムパラメータが性能に与える影響を調査すること。

提案手法

• ピークパワー制約および干渉しきい値制約下で二次スループットを最大化する制約付き最適化問題を定式化する。
• ラグランジュ緩和法およびカーシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を用いて、各アンテナごとの最適パワー割り当てを導出する。
• チャネル状態情報（CSI）およびラグランジュ乗数に基づき、式（12）で表される各端末アンテナにおける最適送信パワーの解析的表現を導出する。
• 端末で完全なチャネル状態情報（CSI）を仮定し、ユニタリ・プレコーディングおよびデコーディング行列を用いて信号を整合化する。
• 二次リレーや端末からの主ユーザへの干渉をモデル化し、平均干渉パワーに対する制約を設ける。
• リレー増幅係数、リレー数、アンテナ構成などの変動するシステムパラメータを想定した数値シミュレーションにより性能を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 主ユーザ干渉制約下で、複数のアンプリファイア・アンド・フォワードリレーを有するMIMO双方向認知リレーネットワークにおける二次スループットをどのように最大化できるか？
• RQ2 パワー制約および干渉制約を満たしつつ、最大スループットを達成するための二次端末アンテナごとの最適パワー割り当て戦略は何か？
• RQ3 リレー数、リレー増幅係数、アンテナ数などのシステムパラメータが達成可能なスループットに与える影響は何か？
• RQ4 リレー数を増やすこととアンテナ数を増やすことのどちらがスペクトル効率により大きな影響を与えるか？
• RQ5 送信パワー、リレーパワー、干渉しきい値の変化に伴い、最適リレー増幅係数はどのように変化するか？

主な発見

• 最適パワー割り当ての導出された解析的解（式12）は、シミュレーション結果と非常に近い一致を示しており、理論モデルの妥当性が裏付けられた。
• ピークパワー制約が高くなる条件下で、アンテナ数を1から4に増加した場合、リレー数を2から6に増加させることで、二次スループットが最大180%向上した。
• ピーク送信パワー（¯Pt）が増加するにつれて、干渉およびパワー制約を満たすために最適リレー増幅係数（wopt）は減少する。
• リレーのパワー予算（¯Pr）を増加させることで、最適増幅係数woptが上昇し、システム全体のスループットが向上する。
• アンテナを追加するのと比較して、リレーを追加することがスループットにより顕著な影響を与える。これは、空間的多重性と自由度の増加によるものである。
• 干渉しきい値（Ith）を上昇させることで、パワー予算が一定のままであれば、最適増幅係数に変化がなく、達成可能なスループットが向上する。