[論文レビュー] Simultaneous Wireless Information and Power Transfer for Two-hop OFDM Relay System

Xiaofei Di, Ke Xiong+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2014

Energy Harvesting in Wireless NetworksEngineering参考文献 16被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、同時無線情報・電力伝送（SWIPT）を備えた2ホップOFDMデコードアンドフォワードリレーシステムにおけるリソース割り当て方式を提案する。リレ一は送信元のRF信号からエネルギーを回収するためにパワー分岐を用いる。本方式は、総達成可能レートを最大化するために、送信パワー割り当て、サブキャリアペアリング、パワー分岐比を共同最適化する。シミュレーション結果は顕著な性能向上を示し、重要な知見として、EHリレ一は従来のリレ一とは異なり、送信元に近い位置に配置すべきであることが示された。

ABSTRACT

This paper investigates the simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) for two-hop orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) decode-and-forward (DF) relay communication system, where a relay harvests energy from radio frequency signals transmitted by the source and then uses the harvested energy to assist the information transmission from the source to its destination. The power splitting receiver is considered at the relay, which splits the received signal into two power streams to perform information decoding (ID) and energy harvesting (EH) respectively. For better understanding the behavior and exploring the performance limit of such a system, resource allocation is studied to maximize the total achievable transmission rate. An optimization problem, which jointly takes into account the power allocation, the subcarrier pairing and the power splitting, is formulated. Due to its non-convexity, a resource allocation policy with low complexity based on separation principle is designed. Simulation results show that the system performance can be significantly improved by using our proposed policy. Moreover, the system performance behavior to the relay position is also discussed, and results show that in the two-hop OFDM system with EH relay, the relay should be deployed near the source, while in that with conventional non-EH relay, it should be deployed at the middle between the source and the destination.

研究の動機と目的

• OFDMリレーシステムにおけるエネルギー制約のあるリレ一ノードの課題に対処し、RF信号からエネルギーを回収可能にする。
• 同時無線情報・電力伝送（SWIPT）を備えた2ホップOFDMデコードアンドフォワードリレーシステムの性能限界を調査する。
• 送信パワー割り当て、サブキャリアペアリング、パワー分岐比を共同最適化する低複雑度のリソース割り当てポリシーを設計し、最大達成可能レートを達成する。

提案手法

• 送信元、エネルギー回収（EH）リレ一、受信先からなる2ホップOFDMリレーシステムをモデル化し、デコードアンドフォワード（DF）リレーリングを適用する。
• リレ一でパワー分岐（PS）を適用し、受信RF信号を情報復調（ID）とエネルギー回収（EH）の2つの信号に分ける。
• 送信パワー割り当て、サブキャリアペアリング、パワー分岐比を共同最適化することで、総達成可能レートを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• 非凸性に対処するため、分離原理に基づく低複雑度のリソース割り当てポリシーを構築する。
• 複数サブキャリアの場合に、最適なサブキャリアペアリングがチャネル利得に基づく順序ペアリングルールに従うことを、背理法を用いて証明する。
• 2サブキャリアケースにおける送電力割り当ての閉形式式を導出し、不等式解析を用いて複数のケースにおいて最適性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SWIPTを備えた2ホップOFDMリレーシステムにおいて、エネルギー回収リレ一の配置がシステム性能に与える影響は何か？
• RQ2 SWIPT対応OFDMリレーシステムにおける、送信パワー割り当て、サブキャリアペアリング、パワー分岐比の最適な共同リソース割り当て戦略は何か？
• RQ3 非凸なSWIPT-OFDMリレーシステムにおいて、低複雑度のリソース割り当てポリシーは近似的に最適な性能を達成できるか？
• RQ4 この設定において、チャネル利得に基づくサブキャリアの順序ペアリングが、システムの達成可能レートを最大にするか？

主な発見

• 提案された低複雑度リソース割り当てポリシーは、ベースライン方式と比較して、システムの総達成可能レートを顕著に向上させる。
• シミュレーション結果は、最適なサブキャリアペアリングが、チャネル利得を降順に並べた順序ペアリングルールに従うことを確認した。
• EHベースのシステムでは、性能を最大化するためにはリレ一を送信元に近接して配置すべきであり、従来の非EHリレ一とは異なり、中点に配置するのではなくなる。
• 2サブキャリアケースでは、最適な送電力割り当ての閉形式解が導出され、すべての妥当なケースにおいて最適性が証明された。
• 送信パワー割り当て、サブキャリアペアリング、パワー分岐比の共同最適化による性能向上は顕著であり、SWIPT-OFDMリレーシステムにおける統合的設計の価値を示している。
• 解析により、非順序のサブキャリアペアリングは、常に低い達成可能レートをもたらすことが証明され、順序ペアリングルールの最適性が裏付けられた。