[논문 리뷰] Full-Duplex MIMO-OFDM Communication with Self-Energy Recycling

Ali A. Nasir, Hoang Duong Tuan외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 24.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 릴레이에서 소스 신호와 자기간섭을 모두 이용해 에너지 수확이 가능한 풀디럭스 MIMO-OFDM 시스템을 제안하며, 폐쇄형 전력 할당을 갖는 새로운 경로 따라가기 알고리즘을 통해 스펙트럼 효율을 최대화한다. 기존의 반복적 해법에 비해 계산 복잡도가 크게 감소하여 수천 개의 변수를 포함하는 대규모 시스템에 실용적으로 적용 가능하다.

ABSTRACT

This paper focuses on energy recycling in full-duplex (FD) relaying multiple-input-multiple-output orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) communication. The loop self-interference (SI) due to full-duplexing is seen as an opportunity for the energy-constrained relay node to replenish its energy requirement through wireless power transfer. In forwarding the source information to the destination, the FD relay can simultaneously harvest energy from the source wireless transmission and also through energy recycling from its own transmission. The objective is to maximize the overall spectral efficiency by designing the optimal power allocation over OFDM sub-carriers and transmit antennas. Due to a large number of sub-carriers, this design problem poses a large-scale nonconvex optimization problem involving a few thousand variables of power allocation, which is very computationally challenging. A new path-following algorithm is proposed, which converges to an optimal solution. This algorithm is very efficient since it is based on extit{closed-form} calculations. Numerical results for a practical simulation setting show promising results by achieving high spectral efficiency.

연구 동기 및 목표

• 풀디럭스 리레이의 에너지 제약 문제를 해결하기 위해 잔여 자기간섭을 에너지 원천으로 활용함으로써 MIMO-OFDM 시스템에서의 에너지 제약을 해소하고자 한다.
• 서브대역 및 전송 안테나 간 최적 전력 할당을 통해 풀디럭스 MIMO-OFDM 리레이 시스템의 스펙트럼 효율을 최대화하고자 한다.
• 수천 개의 서브대역 및 안테나 전력 변수로 인해 발생하는 대규모 비볼록 최적화 문제에 대해 계산 효율적인 해법을 개발하고자 한다.
• 잔여 자기간섭으로부터의 자체 에너지 재활용이 추가 하드웨어 없이도 시스템 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 입증하고자 한다.

제안 방법

• 반복적 해법을 피하기 위해 폐쇄형 계산만을 사용하는 경로 따라가기 알고리즘을 제안하여 최적 해에 수렴한다.
• 계속적인 볼록 근사 기법을 활용해 대규모 비볼록 최적화 문제를 일련의 볼록 하位문제로 재구성한다.
• 스펙트럼 효율 표현을 다룰 수 있는 최적화를 위해 로그 부등식(예: ln(1+x) ≤ ln(1+ȳ) + (x−ȳ)/(1+ȳ))을 활용해 선형화한다.
• 소스 신호와 리레이 자체의 자기간섭에서 에너지 수확을 통합하며, 잔여 SI를 문제 요소가 아닌 에너지 원천으로 간주한다.
• 서브대역 및 안테나 전력 할당을 분리하기 위해 이중 분해 기법을 적용하여 효율적인 계산을 가능하게 한다.
• 실용적인 이단계 프로토콜을 적용하여 리레이가 소스로부터 에너지를 수확하고, 정보 전송 중 자신의 전송 전력도 재활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풀디럭스 MIMO-OFDM 시스템에서 잔여 자기간섭을 리레이 운영을 위한 에너지 원천으로 효과적으로 재활용할 수 있는가?
• RQ2 대규모 비볼록 최적화 문제 상황에서 서브대역 및 전송 안테나 간 최적 전력 할당을 통해 스펙트럼 효율을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ3 제안된 경로 따라가기 알고리즘이 대규모 문제에 대해 기존의 CVX와 같은 전통적 해법에 비해 어떤 계산적 이점을 가지는가?
• RQ4 스펙트럼 효율 및 수렴 속도 측면에서 제안된 알고리즘은 DCI 기반 최적화와 같은 기준 방법에 비해 어떻게 성능가능한가?
• RQ5 채널 추정 오차 및 하드웨어 손상이 존재하는 실제 시스템 환경에서도 제안된 방법을 실용적으로 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 경로 따라가기 알고리즘은 DCI 기반 방법(즉, CVX로 해결)과 유사한 스펙트럼 효율을 달성하며, 소규모 문제(예: K=16 서브대역)에서도 유사한 성능를 보인다.
• 반복적 볼록 최적화를 사용하는 CVX로 DCI 문제를 해결하는 것에 비해 알고리즘은 약 (KN)³ 배 빠르며, 이는 반복적 계산이 아닌 폐쇄형 계산에 의존하기 때문이다.
• K=16 서브대역 시스템에서 알고리즘은 평균 25.8회 반복 내에 수렴하며, DCI 방법의 25.7회와 유사한 반복 횟수를 기록하지만, 반복당 복잡도는 극적으로 감소한다.
• 수치 결과는 높은 스펙트럼 효율을 보이며, 기준 등가 전력 할당 전략에 비해 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 알고리즘은 계산 효율적이며 확장 가능하여 수천 개의 변수를 포함하는 대규모 MIMO-OFDM 시스템에 적합하다.
• 이 방법은 강인하며, 수정된 OFDM 웨이브폼을 사용하는 5G 뉴 라디오 시스템으로도 확장 가능하므로 높은 실용적 적용 가능성을 보인다.