[論文レビュー] Transceiver Design for Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access Systems with Wireless Energy Transfer

Ruijin Sun, Ying Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、無線エネルギー効率の高い協調非直交多重アクセス（NOMA）システムにおける受信機設計を提案する。強いユーザー（R）がエネルギー収集機能を備えたデコードアンドフォワードリレーシステムとして機能し、弱いユーザー（D）のサービス品質（QoS）を向上させる。QoS制約および電力制約の下でビームフォーミング、パワー分離比、受信フィルタリングを共同最適化することにより、Rのデータレートを最大化すると同時に、Dのレート要件を満たす。この手法により、直接伝送に比べて停電性能が著しく向上し、リレータンタenna数が増加するにつれてその効果が顕著になる。

ABSTRACT

In this paper, an energy harvesting (EH) based cooperative non-orthogonal multiple access (NOMA) system is considered, where node S simultaneously sends independent signals to a stronger node R and a weaker node D. We focus on the scenario that the direct link between S and D is too weak to meet the quality of service (QoS) of D. Based on the NOMA principle, node R, the stronger user, has prior knowledge about the information of the weaker user, node D. To satisfy the targeted rate of D, R also serves as an EH decode-and-forward (DF) relay to forward the traffic from S to D. In the sense of equivalent cognitive radio concept, node R viewed as a secondary user assists to boost the performance of D, in exchange for receiving its own information from S. Specifically, transmitter beamforming design, power splitting ratio optimization and receiver filter design to maximize node R rate are studied with the predefined QoS constraint of D and the power constraint of S. Since the problem is non-convex, we propose an iterative approach to solve it. Moreover, to reduce the computational complexity, a zero- forcing (ZF) based solution is also presented. Simulation results demonstrate that, both two proposed schemes have better performance than the direction transmission.

研究の動機と目的

• 強いユーザーが弱いユーザーの信号をリレーする協調NOMAシステムにおいて、高電力伝送による自身の性能劣化を引き起こすエネルギー不足を解消すること。
• リレータンタenna RでRFエネルギー収集を用いて、情報とエネルギーの同時伝送を可能にすることで、NOMAのスペクトル効率とユーザーの公平性を向上させること。
• 全電力制約およびQoS制約の下で、強いユーザーRのデータレートを最大化すると同時に、弱いユーザーDの最小レート要件を保証すること。
• 実用的導入を目的として、低複雑度のソリューション（ゼロフォース（ZF）ベースのビームフォーミングスキーム）を開発すること。
• 現実のチャネル条件および電力制約下で、広範なシミュレーションを用いてシステム性能を評価すること。

提案手法

• DのQoS制約およびSの全電力制約の下で、Rのレートを最大化する非凸最適化問題を定式化。これにより、送信機ビームフォーミングベクトル、パワー分離比、受信フィルタリングを共同設計する。
• 固定点反復法を用いて、反復的アルゴリズムにより非凸問題を解く。ビームフォーミング、パワー分離、受信フィルタリングを交互に最適化する。
• 干渉キャンセレーションを実現するため、ZP（ゼロフォース）ベースのビームフォーミングスキームを提案。これにより計算複雑度を低減する。
• Rを準拠ユーザーとして扱う等価認知無線モデルを適用。RはSからの自身のデータ受信を条件に、Dの信号をリレーする。
• NOMAにおける電力ドメイン多重化を適用。Rでは、信号をフォワードする前に、逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いてDの信号を復調する。
• Rが受信信号を情報復調用とエネルギー収集用に分割するプロセスをモデル化。エネルギー収集効率は固定値η = 0.8として設定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 協調NOMAシステムにおけるエネルギー収集を考慮した場合、ビームフォーミングとパワー分離をどのように共同最適化することでリレータンタennaユーザーのレートを最大化できるか？
• RQ2 弱いユーザーDの停電確率という観点から、提案スキームは直接伝送に比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ3 リレータンタenna Rのアンテナ数を増加させると、Dの停電確率およびRのデータレートという観点で、システム性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 ZFベースのビームフォーミングスキームは、最適反復解の性能をどの程度近似できるか？
• RQ5 Dのレート要件が高い状況下で、ZFスキームが近似最適性能を達成する条件は何か？

主な発見

• 提案された最適反復スキームは、特に高電力伝送時において、直接伝送に比べてノードDの停電確率が著しく低減される。
• Dのレート要件が高い場合、ZFベースのビームフォーミングスキームは最適スキームとほぼ同一の停電性能を達成する。これは、Dのビームフォーミングベクトルに近接した全電力が割り当てられるためである。
• Rのアンテナ数が増加するにつれて、Dの停電確率は顕著に低下し、空間的ダイバーシティの恩恵が明確に示される。
• Sからの送信電力が増加するにつれて、ノードRのレート領域は著しく拡大する。また、Dのレート要件が高くなると、最適スキームとZFスキームの性能差は縮小する。
• 最適スキームはレート領域カバレッジでZFスキームを上回るが、ZFスキームは性能と複雑度の良好なトレードオフを提供する。
• シミュレーション結果は、両方の提案スキーム（最適およびZF）が、同じ電力制約およびQoS制約下で、直接伝送に比べて信頼性およびスペクトル効率の面で顕著に優れていることを確認している。