[論文レビュー] Rate-Splitting for Multi-User Multi-Antenna Wireless Information and Power Transfer

Yijie Mao, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、情報受信機とエネルギー受信機が別々に配置されたマルチユーザーMISO SWIPTネットワークにおけるレートスプリット（RS）戦略を提案する。メッセージは共通ストリームとプライベートストリームに分割され、スペクトル効率とエネルギー効率の両方を向上させる。共通ストリームを情報伝送とエネルギー供給の両方のために共同プレコードイングすることで、特に高エネルギー制約下や直交配置のユーザー環境において、MU-LP や NOMA より優れたレート-エネルギートレードオフを達成する。

ABSTRACT

In a multi-user multi-antenna Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) network, the transmitter sends information to the Information Receivers (IRs) and energy to Energy Receivers (ERs) concurrently. A conventional approach is based on Multi-User Linear Precoding (MU--LP) where each IR directly decodes the intended stream by fully treating the interference from other IRs and ERs as noise. In this paper, we investigate the application of linearly-precoded Rate-Splitting (RS) in Multiple Input Single Output (MISO) SWIPT Broadcast Channel (BC). By splitting the messages of IRs into private and common parts and encoding the common parts into a common stream decoded by all IRs, RS manages the interference dynamically. The precoders are designed such that the Weighted Sum Rate (WSR) of IRs is maximized under the total transmit power constraint and the sum energy constraint for ERs. Numerical results show that the proposed RS-assisted strategy provides a better rate-energy tradeoff in MISO SWIPT BC. Under a sum energy constraint of ERs, RS-assisted strategy achieves better WSR performance of IRs than MU--LP and NOMA in a wide range of IR and ER deployments. Hence, we draw the conclusion that RS is superior for downlink SWIPT networks.

研究の動機と目的

• 情報受信機とエネルギー受信機が分離されたダウンリンクマルチユーザー多アンテナSWIPTネットワークにおけるレート-エネルギートレードオフを解決すること。
• 電力制約下で重み付き和レート（WSR）とエネルギー効率のバランスを取るのが難しい従来のMU-LPおよびNOMAの限界を克服すること。
• 全送信電力制約を満たしつつ、エネルギー受信機の最小エネルギー要件を満たすように、情報受信機のWSRを最大化するプレコーダーを設計すること。
• 実用的な展開環境において、RSがMU-LP や NOMA よりも優れたレート-エネルギートレードオフを達成できることを示すこと。

提案手法

• 送信機で各情報受信機のメッセージを共通部とプライベート部に分割する。
• すべての共通部を1つの共通ストリームに統合し、すべての情報受信機がそのストリームを復調可能にする。
• 共通ストリーム、プライベートストリーム、エネルギーストリームを線形プレコーディングにより同時に送信する。
• 非凸なWSR最大化問題を、電力制約およびエネルギー制約のもとで解くために、WMMSEと逐次凸近似（SCA）アルゴリズムを採用する。
• 情報受信機では、干渉を逐次キャンセレーション（SIC）により除去し、プライベートストリームを復調する前に共通ストリームを復調する。
• 各ストリームとエネルギー受信機に専用ビームを割り当てたMISOブロードキャストチャネルとしてシステムをモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のMU-LP や NOMA と比較して、RSはMISO SWIPTブロードキャストチャネルにおけるレート-エネルギートレードオフを改善できるか？
• RQ2 RSにおける共通ストリームは、情報とエネルギーの二重目的伝送をどのように可能にし、システム性能を向上させるか？
• RQ3 エネルギー要件が高く、受信機が直交的または非対称に配置された環境下で、RSはMU-LP や NOMA に比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ4 全送信電力が制限される条件下で、共通ストリーム、プライベートストリーム、エネルギーストリームへの電力割り当てがWSRと回収エネルギーに与える影響は何か？
• RQ5 どのような展開環境において、RSは情報受信機の実現可能レート領域においてMU-LP や NOMA を上回るか？

主な発見

• すべてのテスト環境において、RSはMU-LP や NOMA よりも高い重み付き和レート（WSR）を達成し、高エネルギー制約下では約1.63 bit/s/Hz（6.96 対 5.33）のWSR向上を示した。
• エネルギー受信機（ER）が両方の情報受信機（IR）から離れており、エネルギー要件が最大に近い（35 µW）状況では、RSはMU-LP よりも著しく優れており、WSRで30.7%の向上を達成した。
• RSにおける共通ストリームは情報とエネルギーを同時に伝送するため、情報レートを低下させることなくエネルギー伝送を強化する二重目的ビームとして機能する。
• 直交チャネル条件（θ = 4π/9）下でも、共通ストリームが同時にデータとエネルギー伝送を可能にする能力のおかげで、RSはMU-LP を上回った。
• チャネル利得の差が大きい状況（γ = 0.3）では、RSはNOMA や MU-LP の性能ギャップを埋め、より優れたレート領域を達成した。
• 電力割り当て解析の結果、RSは共通ストリームに0.0074 W、専用ERビームに0 Wを割り当てたが、MU-LP ではERビームに0.0066 Wを割り当てており、これによりIRのデータ電力が減少し、WSRが劣化した。