[논문 리뷰] Beamforming for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer in Two-Way Relay Channels

Wei Wang, Rui Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 14.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 지원하는 양방향 중계 네트워크에서 앰플리파이-앤드-포워드(AF), DF-XOR, DF-SUP 중계 전략을 사용하여 비음성형 중계 및 전력 분할(PS) 최적화 프레임워크를 제안한다. 비볼록 문제를 중계 방향 및 전력 분할 비율 하위문제로 분리함으로써, 품질보증(QoS) 및 중계 전력 제약 조건 하에 최적의 에너지 수확을 달성하며, 수치 결과는 적응형 전략 및 가중치 선택을 통한 성능 향상을 보여준다.

ABSTRACT

This paper studies simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) systems in two-way relaying (TWR) channels. Here, two source nodes receive information and energy simultaneously via power splitting (PS) from the signals sent by a multi-antenna relay node. Our objective is to maximize the weighted sum of the harvested energy at two source nodes subject to quality of service (QoS) constraints and the relay power constraints. Three well-known and practical two-way relay strategies are considered, i.e., amplify-and-forward (AF), bit level XOR based decode-and-forward (DF-XOR) and symbol level superposition coding based DF (DF-SUP). For each relaying strategy, we formulate the joint energy transmit beamforming and PS ratios optimization as a nonconvex quadratically constrained problem. To find a closed-form solution of the formulated problem, we decouple the primal problem into two subproblems. In the first problem, we intend to optimize beamforming vector for a given PS ratio. In the second subproblem, we optimize the PS ratio with a given beamforming vector. It is worth noting that although the corresponding subproblem are nonconvex, the optimal solution of each subproblem can still be found by using certain techniques. We provide numerical results that demonstrate the advantage of adapting the different relaying strategies and weighted factors to harvest energy in two-way relaying channel.

연구 동기 및 목표

• 다중 안테나 중계기를 통해 동시에 정보 및 에너지를 전송함으로써 에너지 제약이 있는 소스 노드의 과제를 해결한다.
• 두 소스 노드에서 수확된 에너지를 극대화하기 위해 공동 비음성형 및 전력 분할(PS) 비율 최적화 프레임워크를 설계한다.
• 최적화 과정에서 품질보증(QoS) 제약 조건 및 중계 전송 전력 제한을 충족시킨다.
• SWIPT 프레임워크 하에서 실용적인 세 가지 중계 전략(AF, DF-XOR, DF-SUP)을 비교 분석하여 성능 트레이드오프를 조사한다.
• 비볼록 문제를 해결하기 위해 비음성형 벡터와 PS 비율을 별도로 최적화하는 분리 최적화 접근법을 개발한다.

제안 방법

• 각 중계 전략(AF, DF-XOR, DF-SUP)에 대해 비볼록 2차 제약 조건 문제로 공동 비음성형 및 PS 비율 최적화를 수식화한다.
• 기본 문제를 두 하위문제로 분해한다: 고정된 PS 비율에 대한 비음성형 최적화, 고정된 비음성형 벡터에 대한 PS 비율 최적화.
• 각 비볼록 하위문제를 해결하기 위해 분석 기법을 적용하고 최적의 비음성형 벡터 및 PS 비율에 대한 폐형 해를 유도한다.
• SINR 제약 조건 및 전력 예산 제약 조건을 사용하여 최적의 PS 비율 표현을 유도하며, $0 < \rho^* < 1$을 보장한다.
• SINR 제약 조건의 등가 변환을 활용하여 최적의 PS 비율을 개별 사용자 QoS 요구 사항에서 유도된 두 상한의 최소값으로 표현한다.
• 다양한 중계 전략 및 가중 요소에서의 성능를 비교한 수치 결과를 통해 해를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 품질보증(QoS) 및 전력 제약 조건 하에서 양방향 중계 SWIPT 시스템에서 비음성형 및 전력 분할 비율을 공동으로 최적화하여 에너지 수확을 극대화하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 에너지 수확 및 스펙트럼 효율 측면에서 AF, DF-XOR, DF-SUP 중계 전략을 각각 사용할 경우의 성능 향상은 어떠한가?
• RQ3 가중 요소의 적응형 선택은 SWIPT 기반 양방향 중계에서 에너지 수확과 시스템 스루풋 간의 트레이드오프에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 각 중계 전략 하에서 비볼록 최적화 문제에 대한 비음성형 벡터 및 PS 비율의 폐형 해는 무엇인가?
• RQ5 전력 예산 및 QoS 제약 조건은 SWIPT 시스템에서 가용 영역과 최적의 PS 비율에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 분리 최적화 접근법은 AF, DF-XOR, DF-SUP 세 전략 모두에서 비음성형 벡터 및 PS 비율에 대한 폐형 해를 성공적으로 도출한다.
• 최적의 PS 비율은 $ \rho^* = \text{min}\big\lbrace 1 - \frac{\tau_1 \boldsymbol{\nu}_{1,c}^2}{E_2 P_2^* - D_2}, 1 - \frac{\tau_2 \boldsymbol{\nu}_{2,c}^2}{G_2 P_1^* - F_2} \big\rbrace $로 유도되며, 이는 QoS 및 PS 제약 조건을 모두 충족시킨다.
• 수치 결과는 적응형 중계 전략 및 가중 요소 선택이 양방향 중계 SWIPT 시스템에서 에너지 수확 성능을 크게 향상시킴을 보여준다.
• 전력 및 QoS 제약 조건 하에서 최적의 비음성형 및 PS 비율 선택은 고정 또는 비적응형 방법보다 더 높은 에너지 수확을 이룬다.
• 다양한 채널 조건 하에서도 해가 강인하며, 최적의 PS 비율은 SINR 요구 사항 및 중계 전력 할당에 따라 달라진다.
• 목적 함수의 최대값 존재 조건이 유도되었으며, $ a_2 - a_3 > 0 $ 및 $ a_2 - a_3 < -a_1 $ 를 요구하여 $ \rho^* $ 에 대한 타당하고 유계인 해를 보장한다.